發(fā)酵罐的控制系統(tǒng)主要是通過(guò)控制熱工和生化參數(shù), 從而達(dá)到控制整個(gè)發(fā)酵罐的工藝參數(shù)的目的。發(fā)酵罐的控制系統(tǒng)大致經(jīng)歷了儀表控制、儀表+PLC控制 (早期的邏輯控制) 、PLC控制及其組成的DCS (分散) 控制的發(fā)展過(guò)程。在整個(gè)發(fā)酵罐的工藝控制中, 可分為模擬量控制、開(kāi)關(guān)量控制及各參數(shù)的關(guān)聯(lián)控制。發(fā)酵罐的控制參數(shù)可分為溫度、壓力、流量、攪拌轉(zhuǎn)速、液位、p H值、DO值 (溶氧量) 、排氣O2和排氣CO2、菌絲密度及CIP中的電導(dǎo)率等。
發(fā)酵罐從碳鋼制造到不銹鋼制造的變化進(jìn)程中, 除了一次性發(fā)酵罐多采用磁力攪拌和部分部件采用一次性儀表, 通氣管從上部移到了側(cè)部, 并且將一次性袋子固定在容器中以外, 其他控制部件的形式均與原來(lái)相同。
發(fā)酵控制的DCS系統(tǒng)除了采集、顯示下位機(jī)的所有數(shù)據(jù)外, 還能夠修改和控制參數(shù)對(duì)象。早期發(fā)酵罐控制系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集器, 將模擬量信號(hào)分別采集, 在模塊中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后, 用計(jì)算機(jī)的232接口與上位機(jī)通訊。后期發(fā)酵罐控制系統(tǒng)是采用PLC與上位機(jī)通訊的方式, 有的控制器上還采用SCADA系統(tǒng), 可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制, 以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。此外, 還將PLC與通用監(jiān)控軟件MCGS組態(tài)軟件應(yīng)用到發(fā)酵類生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)中, 可實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)和各執(zhí)行部件的控制狀態(tài), 能夠滿足不同的工藝要求, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。
罐溫會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程中酶反應(yīng)的速率及氧在培養(yǎng)液中的溶解度, 其與菌體生長(zhǎng)、抗生素合成及溶解氧都有密切關(guān)系。
罐溫控制主要包括控制加熱量與冷卻量。其中, 加熱量是由工藝計(jì)算而得;冷卻量是指在加熱或滅菌后, 且在規(guī)定的冷卻時(shí)間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個(gè)加熱器和冷卻水電磁閥組成, 當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)溫度低于 (或高于) 某個(gè)設(shè)定值時(shí), 系統(tǒng)將自動(dòng)開(kāi)啟加熱器 (或冷卻水電磁閥) , 以達(dá)到控制發(fā)酵罐溫度的目的。
通過(guò)計(jì)算在規(guī)定的冷卻時(shí)間下所需的冷量得出冷卻量, 通過(guò)計(jì)算在規(guī)定的加熱時(shí)間下所需的熱量得出加熱量。通過(guò)焓值計(jì)算和換熱速率, 得出換熱面積, 也就是發(fā)酵罐的夾套或盤(pán)管的面積。通過(guò)對(duì)管路長(zhǎng)度、介質(zhì)壓力及壓力損失的計(jì)算, 才能確定換熱管的管徑, 進(jìn)而確定控制閥的通徑, 控制閥通徑是以培養(yǎng)溫度的控制波動(dòng)量為主要參數(shù)。若以培養(yǎng)溫度的控制波動(dòng)量為參數(shù)來(lái)計(jì)算, 往往可設(shè)定60%~80%的開(kāi)度為穩(wěn)定值;若要兼顧滅菌升溫時(shí)間, 那么取值可以低些, 此時(shí)培養(yǎng)溫度控制波動(dòng)量就會(huì)大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統(tǒng)中, 如果上述工藝參數(shù)計(jì)算取值恰當(dāng), 則參數(shù)控制相對(duì)精確, 其中工藝參數(shù)可采用飛升曲線計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)法等方法獲得。
在兼顧培養(yǎng)和滅菌的罐溫控制中, 采用PID自動(dòng)控制, 其培養(yǎng)溫度的波動(dòng)控制范圍在±0.1℃。其中, 微分作用能提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度, 積分作用能有效消除靜態(tài)誤差, 使環(huán)境溫度不對(duì)罐溫控制產(chǎn)生影響。當(dāng)然, 換熱夾套的設(shè)計(jì)要盡可能薄, 以減少溫控滯后所帶來(lái)的波動(dòng)。
按照工藝與GMP要求, 對(duì)發(fā)酵設(shè)備應(yīng)當(dāng)進(jìn)行清潔、消毒或滅菌。發(fā)酵罐通常采用的滅菌方法是濕熱滅菌。
在滅菌溫度控制中, 先進(jìn)的發(fā)酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來(lái)替代傳統(tǒng)的疏水閥, 但對(duì)所滅菌系統(tǒng)與蒸汽管路及閥門(mén)通徑的設(shè)計(jì)有一定要求。在滅菌程序設(shè)計(jì)中, 通蒸汽時(shí)間和疏水時(shí)間間隔應(yīng)相匹配, 在疏水隔膜閥打開(kāi)的瞬間, 其罐體壓力幾乎不變, 且冷凝水被有效疏掉, 此過(guò)程沒(méi)有冷點(diǎn)出現(xiàn)。
在滅菌溫度控制中, 應(yīng)考慮升溫曲線中的溫度波動(dòng)周期, 一般設(shè)定為到達(dá)設(shè)定溫度的1 min后才正式計(jì)時(shí), 以滿足濕熱滅菌的F0值要求。
發(fā)酵罐維持正壓既可以杜絕由于罐壓為零時(shí)造成的染菌, 還可增加氧在培養(yǎng)液中的溶解度, 有利于菌的生長(zhǎng)及合成。
發(fā)酵罐罐體和管路在發(fā)酵過(guò)程中都需一定的壓力控制。在發(fā)酵培養(yǎng)期間, 罐內(nèi)壓力基本可以保持恒定。然而, 在滅菌降溫的過(guò)程中, 為避免負(fù)壓吸入環(huán)境的非潔凈空氣以及負(fù)壓可能將罐體吸癟情況的發(fā)生, 需要通入一定的空氣保壓。其中, 降溫過(guò)程中的壓力影響是非控制參數(shù), 這時(shí)的壓力是用進(jìn)氣閥控制。
空氣流量作用:空氣是給好氣菌供氧的重要來(lái)源。
攪拌轉(zhuǎn)速作用:提高攪拌轉(zhuǎn)速可以增加氧的溶解速度。
發(fā)酵過(guò)程中, 發(fā)酵罐的壓力一般可以保持恒定, 制約溶解氧濃度的因素有兩個(gè), 即空氣流量與攪拌轉(zhuǎn)速。
在培養(yǎng)過(guò)程中, 罐體需要一定的空氣流量, 這時(shí)流量用進(jìn)氣閥控制, 壓力用排氣閥控制。空氣流量控制設(shè)備由空氣壓縮機(jī)、壓力表、浮子式流量計(jì)組成, 通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣量, 以流量計(jì)計(jì)算空氣流量, 用壓縮機(jī)以一定的壓力將空氣打入發(fā)酵罐內(nèi), 取得了良好的控制效果。
在細(xì)胞高密度培養(yǎng)中, 要控制空氣和氧氣兩種流量, 流量控制裝置中有混合的總流量和分別通入的不同流量, 混合過(guò)程中只有考慮兩者的壓力平衡, 才能進(jìn)行有效的流量控制, 控制參數(shù)一般是DO值, 往往與攪拌轉(zhuǎn)速一起進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制。
在線清洗過(guò)程中的空氣流量開(kāi)關(guān)是控制氣吹是否結(jié)束的檢測(cè)裝置。
在一般的發(fā)酵控制中, 攪拌轉(zhuǎn)速可以單獨(dú)控制, 也可以與DO聯(lián)控。攪拌轉(zhuǎn)速控制回路由轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件、控制器、變頻器、電機(jī)組成, 其中電機(jī)攪拌轉(zhuǎn)速由變頻器控制。例如, 用簡(jiǎn)單的單回路常規(guī)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)行DO控制。
在攪拌轉(zhuǎn)速控制的同時(shí), 還要關(guān)注槳葉形式、剪切力以及攪拌功率, 流量控制還要注意氣泡的大小形式。
發(fā)酵液的DO值直接影響微生物的酶活性、代謝途徑及產(chǎn)物產(chǎn)量, 因此DO值標(biāo)定十分重要。在滅菌升溫過(guò)程中, 當(dāng)溫度達(dá)到120℃后, DO電極零點(diǎn)的標(biāo)定值就是溶氧標(biāo)定的零點(diǎn)值;DO電極100%滿度值的標(biāo)定是指在正式發(fā)酵前, 設(shè)定發(fā)酵初始溫度、攪拌轉(zhuǎn)速 (最高) 、通氣量和罐壓, 以該初始狀態(tài)下的溶氧作為溶氧標(biāo)定。
發(fā)酵液的p H值是發(fā)酵過(guò)程中各種生化反應(yīng)的酸堿性的綜合反映。
p H值補(bǔ)料形式有流加、滴加兩種, p H值控制與補(bǔ)料系統(tǒng)主要由蠕動(dòng)泵 (或其他輸送系統(tǒng)) 及稱重系統(tǒng)組成。除稱重系統(tǒng)外, 這些控制系統(tǒng)受罐間的壓差影響較大, 其中還有液位引起的壓力變化, 稱重系統(tǒng)還受液面波動(dòng)的影響, 所以要視罐的大小、徑高比和使用情況綜合考慮。目前, p H控制裝置由一個(gè)加酸蠕動(dòng)泵和一個(gè)加堿蠕動(dòng)泵組成。當(dāng)p H值高于設(shè)定值時(shí), 系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)加酸蠕動(dòng)泵, 以時(shí)間比例方式向發(fā)酵罐通入酸液, 直至設(shè)定值;當(dāng)p H小于設(shè)定值時(shí), 則啟動(dòng)加堿蠕動(dòng)泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。
排氣O2和排氣CO2是判斷微生物復(fù)蘇及呼氣狀況的指標(biāo), 往往與攪拌轉(zhuǎn)速等供氧情況關(guān)聯(lián)控制。
電導(dǎo)率是控制CIP清洗液濃度的指標(biāo)和水洗后Na OH殘余量的指標(biāo)。
這兩者都設(shè)有延時(shí)判斷, 以保證所有環(huán)路的濃度最終達(dá)到清洗效果。
發(fā)酵罐首次使用及排空后使用要注意:夾套注滿水, 檢查浮球排氣閥及其他排氣管路裝置的排氣狀態(tài), 以保證夾套的高液位。否則, 易導(dǎo)致滅菌的升溫時(shí)間滯后, 且升溫不正常。滅菌升溫不正常還與以下幾方面有關(guān):
(1) 進(jìn)水閥是否正常, 是否堵塞;
(2) 疏水閥是否堵塞, 換熱夾套高溫高壓時(shí)是否內(nèi)漏, 升溫時(shí)的內(nèi)漏不一定伴有巨大撞擊聲, 只有在降溫時(shí)才會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
平時(shí)還要關(guān)注并留意正常狀態(tài)時(shí)滅菌不同階段的罐內(nèi)外溫差和壓差, 這樣才能快速判斷是冷熱水閥、輸水閥、換熱夾套, 還是液位引起的故障。
溫度的誤差往往可能是由于溫度計(jì)套管中缺少導(dǎo)熱硅脂引起, 也可能是國(guó)產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂長(zhǎng)時(shí)間干枯引起, 因此要定期維護(hù)保養(yǎng)發(fā)酵罐。
發(fā)酵罐要有一定數(shù)量的備品、備件, 并且羅列所有的器件作應(yīng)急預(yù)案, 這樣才能快速修復(fù)或處理生產(chǎn)中的異常狀況。
如, 配備一個(gè)通用控制器來(lái)處理某一控制回路的異常狀況, 用電阻箱解決壓力變送器出現(xiàn)的故障時(shí), 對(duì)機(jī)械壓力表進(jìn)行手動(dòng)控制, 從而使生產(chǎn)程序正常進(jìn)行, 用手動(dòng)調(diào)壓器控制氣動(dòng)控制閥的開(kāi)度來(lái)進(jìn)行應(yīng)急控制等。
又如, 對(duì)于補(bǔ)料罐的磁力攪拌, 由于長(zhǎng)期的滅菌高溫和時(shí)間推移, 內(nèi)部的永久磁鐵漸漸失磁, 加上一般啟動(dòng)器的短時(shí)啟動(dòng), 在啟動(dòng)和停止時(shí)內(nèi)外磁鐵會(huì)脫離吸合而不跟轉(zhuǎn), 而用變頻器設(shè)置長(zhǎng)時(shí)間爬坡啟動(dòng)可將磁力攪拌故障消除, 并大大延長(zhǎng)了使用壽命。
再如, 某發(fā)酵罐的智能溫度控制器采用一套PID參數(shù)來(lái)控制培養(yǎng)和滅菌溫度, 并通過(guò)外部PLC信號(hào)切換, 在達(dá)到121℃滅菌溫度時(shí)發(fā)出一個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)。了解了這些功能后, 可以采用4 000元的歐陸溫控器替代數(shù)萬(wàn)元的上述控制器。
PLC控制器的故障相對(duì)比較少, 可以通過(guò)運(yùn)行指示燈作初步判斷, 一般只要程序在運(yùn)行就基本可以認(rèn)為核心器件無(wú)故障。問(wèn)題可能出在開(kāi)關(guān)量或模擬量輸出上, 如筆者曾經(jīng)遇到模擬量輸出故障, 其電流輸出不再是原先的4~20 m A, 而是在未知的一段時(shí)間內(nèi)逐漸降到了0~8 m A, 同時(shí)在氣動(dòng)控制閥用久、行程阻力增加的雙重作用下, 8 m A信號(hào)已經(jīng)開(kāi)啟不了這個(gè)閥門(mén), 才導(dǎo)致溫度控制不佳, 如果閥門(mén)能有一定的開(kāi)度, 在系統(tǒng)的積分作用下這個(gè)故障不一定出現(xiàn)。
在空壓系統(tǒng)中, 二位三通電磁閥在長(zhǎng)期的油污影響下, 會(huì)在擋板噴嘴處形成一定的粘連, 從而導(dǎo)致開(kāi)啟緩慢滯后或干脆打不開(kāi)。因此, 二位三通電磁閥擋板噴嘴也要視空壓機(jī)的情況進(jìn)行定期清潔保養(yǎng), 否則易造成系統(tǒng)異常。
本文從發(fā)酵罐的系統(tǒng)控制角度出發(fā), 探討了發(fā)酵罐罐溫、壓力、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速、p H、電導(dǎo)率等工藝參數(shù)的控制要點(diǎn), 并分析了發(fā)酵罐及其控制系統(tǒng)的若干使用問(wèn)題。人們只有對(duì)發(fā)酵罐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、部件以及性能參數(shù)熟悉的前提下, 才能作出相應(yīng)對(duì)策。同時(shí), 要有日常巡檢、保養(yǎng)和應(yīng)急預(yù)案的準(zhǔn)備, 這樣才能最大程度地保障發(fā)酵罐無(wú)故障運(yùn)行。
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