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發酵罐工藝參數的控制要點及其系統使用問題探討

發酵罐的控制系統主要是通過控制熱工和生化參數，從而達到控制整個發酵罐的工藝參數的目的。發酵罐的控制系統大致經歷了儀表控制、儀表+PLC控制（早期的邏輯控制）、PLC控制及其組成的DCS（分散）控制的發展過程。在整個發酵罐的工藝控制中，可分為模擬量控制、開關量控制及各參數的關聯控制。發酵罐的控制參數可分為溫度、壓力、流量、攪拌轉速、液位、pH值、DO值（溶氧量）、排氣O2和排氣CO2、菌絲密度及CIP中的電導率等。
1、 發酵罐的發展歷程
發酵罐從碳鋼制造到不銹鋼制造的變化進程中，除了一次性發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相同。
發酵控制的DCS系統除了采集、顯示下位機的所有數據外，還能夠修改和控制參數對象。早期發酵罐控制系統采用數據采集器，將模擬量信號分別采集，在模塊中進行模數轉換后，用計算機的232接口與上位機通訊。后期發酵罐控制系統是采用PLC與上位機通訊的方式，有的控制器上還采用SCADA系統，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及實現各類信號報警等各項功能。此外，還將PLC與通用監控軟件MCGS組態軟件應用到發酵類生物反應器控制系統中，可實時監控現場的環境參數和各執行部件的控制狀態，能夠滿足不同的工藝要求，大大提高了系統的可靠性和靈活性。
1 發酵罐工藝參數的控制要點
1.1 、罐溫控制
1.1.1 參數作用罐溫會影響發酵過程中酶反應的速率及氧在培養液中的溶解度，其與菌體生長、抗生素合成及溶解氧都有密切關系。 
1.1.2 罐溫控制罐溫控制主要包括控制加熱量與冷卻量。其中，加熱量是由工藝計算而得；冷卻量是指在加熱或滅菌后，且在規定的冷卻時間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個加熱器和冷卻水電磁閥組成，當發酵罐內溫度低于（或高于）某個設定值時，系統將自動開啟加熱器（或冷卻水電磁閥），以達到控制發酵罐溫度的目的。
通過計算在規定的冷卻時間下所需的冷量得出冷卻量，通過計算在規定的加熱時間下所需的熱量得出加熱量。通過焓值計算和換熱速率，得出換熱面積，也就是發酵罐的夾套或盤管的面積。通過對管路長度、介質壓力及壓力損失的計算，才能確定換熱管的管徑，進而確定控制閥的通徑，控制閥通徑是以培養溫度的控制波動量為主要參數。若以培養溫度的控制波動量為參數來計算，往往可設定60%～80%的開度為穩定值；若要兼顧滅菌升溫時間，那么取值可以低些，此時培養溫度控制波動量就會大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統中，如果上述工藝參數計算取值恰當，則參數控制相對精確，其中工藝參數可采用飛升曲線計算或經驗法等方法獲得。在兼顧培養和滅菌的罐溫控制中，采用PID自動控制，其培養溫度的波動控制范圍在±0.1 ℃。其中，微分作用能提高動態響應速度，積分作用能有效消除靜態誤差，使環境溫度不對罐溫控制產生影響。當然，換熱夾套的設計要盡可能薄，以減少溫控滯后所帶來的波動。
1.1.3 滅菌控制按照工藝與GMP要求，對發酵設備應當進行清潔、消毒或滅菌。發酵罐通常采用的滅菌方法是濕熱滅菌。在滅菌溫度控制中，先進的發酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來替代傳統的疏水閥，但對所滅菌系統與蒸汽管路及閥門通徑的設計有一定要求。在滅菌程序設計中，通蒸汽時間和疏水時間間隔應相匹配，在疏水隔膜閥打開的瞬間，其罐體壓力幾乎不變，且冷凝水被有效疏掉，此過程沒有冷點出現。在滅菌溫度控制中，應考慮升溫曲線中的溫度波動周期，一般設定為到達設定溫度的1 min后才正式計時，以滿足濕熱滅菌的F0值要求。
1.2 壓力控制
1.2.1 參數作用發酵罐維持正壓既可以杜絕由于罐壓為零時造成的染菌，還可增加氧在培養液中的溶解度，有利于菌的生長及合成。1.2.2 壓力控制發酵罐罐體和管路在發酵過程中都需一定的壓力控制。在發酵培養期間，罐內壓力基本可以保持恒定。然而，在滅菌降溫的過程中，為避免負壓吸入環境的非潔凈空氣以及負壓可能將罐體吸癟情況的發生，需要通入一定的空氣保壓。其中，降溫過程中的壓力影響是非控制參數，這時的壓力是用進氣閥控制。
1.3 空氣流量、攪拌轉速控制
1.3.1 參數作用空氣流量作用：空氣是給好氣菌供氧的重要來源。攪拌轉速作用：提高攪拌轉速可以增加氧的溶解速度。
1.3.2 空氣流量、攪拌轉速控制發酵過程中，發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，即空氣流量與攪拌轉速。
1.3.3 DO值標定發酵液的DO值直接影響微生物的酶活性、代謝途徑及產物產量，因此DO值標定十分重要。在滅菌升溫過程中，當溫度達到120 ℃后，DO電極零點的標定值就是溶氧標定的零點值；DO電極100%滿度值的標定是指在正式發酵前，設定發酵初始溫度、攪拌轉速（羅高）、通氣量和罐壓，以該初始狀態下的溶氧作為溶氧標定。

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