活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題---實(shí)現石油與化工的信息化

   1、概述

     隨著(zhù)有關(guān)學(xué)科的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，人們對微生物的利用本領(lǐng)越來(lái)越高。以微生物為原料進(jìn)行生產(chǎn)的新產(chǎn)品如雨后春筍，層出不窮,比如：微生物發(fā)酵制藥。微生物發(fā)酵過(guò)程是個(gè)極其復雜的生化反應過(guò)程，對于發(fā)酵罐的操作，以前人們是憑借實(shí)踐經(jīng)驗來(lái)進(jìn)行的，由于缺乏發(fā)酵過(guò)程參數的測量監視和控制系統，使得發(fā)酵產(chǎn)品成本高、操作費用大、產(chǎn)品在國際市場(chǎng)上缺乏競爭力，為此，迫切需要對發(fā)酵罐實(shí)行優(yōu)化操作和控制。

    杭州優(yōu)穩UW500集散控制系統在自動(dòng)化領(lǐng)域已有廣泛應用，利用UW500集散控制系統對發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行監控，能大幅度提高發(fā)酵品產(chǎn)量。

    2、工藝簡(jiǎn)介

    一般的耗氧型發(fā)酵罐系統如圖1所示，測量的參數可以分為物理參數、化學(xué)參數以及生物參數。

                       圖1  發(fā)酵罐檢測參數圖

    1、發(fā)酵過(guò)程物理參數

    通常有發(fā)酵罐溫度、發(fā)酵罐壓力、發(fā)酵液體積、空氣流量、冷卻水進(jìn)出口溫度和流量攪拌馬達轉速、攪拌馬達電流、泡沫高度等，這些物理參數根據不同種類(lèi)的發(fā)酵要求，都可以選擇性的選取有關(guān)測量?jì)x表來(lái)實(shí)現自動(dòng)測量。

    2、發(fā)酵過(guò)程化學(xué)參數

    發(fā)酵過(guò)程典型的化學(xué)參數有pH值和溶解氧濃度，這兩個(gè)參數對于微生物的生長(cháng)，代謝產(chǎn)物的形成極為重要。

    3、發(fā)酵過(guò)程生物參數

    生物參數通常包括生物質(zhì)呼吸代謝參數、生物質(zhì)濃度、代謝產(chǎn)物濃度、底物濃度以及生物比生長(cháng)速率、底物消耗速率和產(chǎn)物形成速率等。

    3、控制策略

     隨著(zhù)生物工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，其生產(chǎn)設備和規模不斷擴大，生產(chǎn)過(guò)程的強化，對自動(dòng)控制技術(shù)的要求越來(lái)越迫切，對生化過(guò)程實(shí)行優(yōu)化控制，可穩定生產(chǎn)，提高得率，降低消耗，增加效益。

    1、發(fā)酵罐溫度常規控制

    對于特定的微生物，它都有一個(gè)最適宜的生長(cháng)溫度。因此，微生物發(fā)酵過(guò)程發(fā)酵溫度的控制是一個(gè)很重要的微生物生長(cháng)環(huán)境參數，必須嚴格的加以控制。影響發(fā)酵溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機攪拌熱、冷卻水本身的溫度。

    對于小型的發(fā)酵罐溫度控制系統是以發(fā)酵罐溫度為被控參數，冷卻水流量為控制參數的單回路控制方案，對于大型的發(fā)酵罐系統，則采用發(fā)酵罐溫度為主回路，以冷卻水系統為副回路的串級控制或前饋-反饋控制方案。

    2、發(fā)酵罐壓力常規控制

    發(fā)酵罐操作壓力的變化，將會(huì )引起氧在發(fā)酵液中的分壓改變，也就是說(shuō)影響著(zhù)溶解氧濃度的變化。影響發(fā)酵罐的壓力主要是供給的消毒空氣的壓力變化，通?？刂瓢l(fā)酵罐的壓力是通過(guò)調節排出氣體的量來(lái)控制。

    3、發(fā)酵過(guò)程中的pH值控制

    pH是微生物生長(cháng)的另一個(gè)重要環(huán)境參數。在發(fā)酵過(guò)程中，必須嚴格加以控制，否則會(huì )嚴重影響微生物代謝的進(jìn)行和代謝產(chǎn)物的合成。在工業(yè)生產(chǎn)上，若發(fā)酵液pH值偏低、氨氮也偏低的時(shí)候，則通過(guò)加氨水等方法使其pH值回升；如果pH值偏高而氨氮偏低，可以補入硫酸銨或氯化銨；若pH值和氨氮都偏高，在發(fā)酵前期，可適當增加糖的補加量來(lái)調整。一般沒(méi)有其它的控制手段。因此在pH值控制中必須嚴格控制好調整液的加入量，絕對不能過(guò)量。如圖2所示，pH值的控制常由pH測量電極和變送器、pH控制器、空氣開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥組成。

                              圖2  PH值控制

    4、發(fā)酵過(guò)程中的溶解氧濃度控制

    在耗氧型發(fā)酵過(guò)程中，氧是作為微生物生長(cháng)必須的原料，若供氧不足，將會(huì )抑制微生物的生長(cháng)和代謝的進(jìn)行。為此在發(fā)酵過(guò)程中要保持一定的溶解氧濃度。影響溶解氧濃度的主要因素有供給的空氣量、攪拌器轉速和發(fā)酵罐的壓力。

                        圖3  串級控制回路

    這里采用了一個(gè)串級控制回路，在保證對通入蒸汽量的調節滿(mǎn)足溶解氧濃度要求的同時(shí)，及時(shí)消除了壓力波動(dòng)的影響。如果溶解氧濃度的調節通過(guò)調節攪拌機的轉速來(lái)實(shí)現，情況類(lèi)似。如前所述，發(fā)酵罐內壓力的波動(dòng)對溶解氧濃度有影響，因此，在通過(guò)調節通入的空氣流量來(lái)實(shí)現溶解氧濃度控制時(shí)，需要考慮這種影響。如果在發(fā)酵罐壓力有自動(dòng)控制的情況下則認為發(fā)酵罐壓力恒定不變。目前，國內發(fā)酵罐攪拌器轉速一般是恒定不變的，所以只要通過(guò)調節供給的空氣量來(lái)控制溶解氧濃度。當然，也有同時(shí)對發(fā)酵罐轉速和供應的空氣量進(jìn)行綜合調節的做法。

    5、發(fā)酵過(guò)程中的消泡控制

    在發(fā)酵前期，微生物生長(cháng)旺盛時(shí)期，加入料液滿(mǎn)載，攪拌馬達全速開(kāi)動(dòng)，空氣通入量達到最大。這時(shí)候，發(fā)酵液上浮得很厲害，稍有不慎，就可能會(huì )產(chǎn)生逃液現象。此時(shí)，必須即時(shí)加入消泡劑，以減少泡沫，防止發(fā)酵液上浮。消泡控制通常采用雙位式的控制方法，當發(fā)酵液液面達到一定的高度時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)消泡劑的閥門(mén)，當液面降回到正常時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉消泡劑閥門(mén)。

    6、發(fā)酵過(guò)程中的補料控制

    在半連續發(fā)酵過(guò)程中，隨著(zhù)發(fā)酵的進(jìn)行，微生物生長(cháng)狀態(tài)和生物代謝狀況，中間要繼續不斷補充營(yíng)養物質(zhì)，使微生物沿著(zhù)最優(yōu)的生長(cháng)軌跡生長(cháng)，以獲得高產(chǎn)的微生物代謝產(chǎn)物。由于微生物和代謝狀況無(wú)法在線(xiàn)測量，使得這一補料極為困難，一般的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是根據實(shí)驗室大量的試驗研究結果得出的補料曲線(xiàn)來(lái)指導工業(yè)生產(chǎn)的補料，發(fā)酵工藝技術(shù)人員根據離線(xiàn)的化驗室化驗的數據，適當修正補料速率，這種方法對于有大量實(shí)踐經(jīng)驗的人來(lái)說(shuō)可能會(huì )做出好的判斷決策，但往往不盡如人意，不能確保發(fā)酵過(guò)程沿著(zhù)最優(yōu)的曲線(xiàn)進(jìn)行，不能獲得最好的代謝產(chǎn)物。針對這種發(fā)酵過(guò)程的復雜性和信息的缺乏，發(fā)酵工藝技術(shù)人員與自動(dòng)控制人員一起共同研究，試圖尋找出更好的補料方法和策略。例如，基于出口氣體二氧化碳的釋放率來(lái)控制補料速率、用化學(xué)元素的平衡方法來(lái)調整補糖量、用控制呼吸商的方法來(lái)控制補料等。

    4、控制工程

     在發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，對溫度、pH、溶解氧等進(jìn)行實(shí)時(shí)監控是重點(diǎn)，杭州優(yōu)穩UW500集散控制系統經(jīng)過(guò)不斷的研究分析、開(kāi)發(fā)創(chuàng )新，已經(jīng)在擁有廣泛應用，能夠完成勝任這一要求，為發(fā)酵生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)的自動(dòng)化控制。
    
  

                 圖4 系統結構圖

                           圖5 發(fā)酵罐

    5、小結

    本工程自從用UW500集散控制系統投運以來(lái)，運行平穩，效果顯著(zhù)，操作平穩率，單罐產(chǎn)量，產(chǎn)品質(zhì)量等都大大提高；工人勞動(dòng)強度，原料消耗等都有大幅度降低，同時(shí)也確保了裝置的平穩安全運行。直接提高了企業(yè)的市場(chǎng)競爭能力，為企業(yè)帶來(lái)了十分明顯的經(jīng)濟效益。此項目成功的投產(chǎn)表明UW500集散控制系統擁有優(yōu)質(zhì)的穩定性、可靠性。