基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頭孢菌素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究

1、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頭孢菌素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究研究報(bào)告中國(guó)釀造2007年第3期總第168期?35?基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頭孢菌素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究吳曉蘇,張中明(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,浙江杭州310018)摘要:介紹了頭孢菌素發(fā)酵的工藝流程,參數(shù)測(cè)量方法,補(bǔ)料裝置的結(jié)構(gòu)和控制過程的時(shí)序分析,繪出了DCS與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,對(duì)發(fā)酵過程中如何優(yōu)化補(bǔ)料控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)硫酸銨控制的算法進(jìn)行了研究.關(guān)鍵詞:頭孢菌素;發(fā)酵;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中圖分類號(hào):TP183文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):20540571(2007)03003505Studyonfermentationcontrolsystemforthepro

2、ductionOfcephalOspOrinWUXiaoSU,ZHANGZhong-ming(DepartmentofMechmTicalandElectncalEngineering,HangzhouVocationalandTechnicalInstitute,Hangzhou310018,China)Abstract:Theproductionprocessing,measurementmethodsofculturalparameters,structureoffedbatchequipmentsandtimesequenceanalysisofcontrolstageduringce

3、phalosporinfermentationwereintroduced.ThenetworkdiagramofDCSlinkedtolocalequipmentswasdrawn.Themeasurestooptimizethecontrolofrawmaterialsupplementinfermentationandthealgorithmofammoniumsulfatesupplementbasedonneuralnetworkwerediscussed.Keywords:cephalosporin;fermentation;neuralnetwork1頭孢菌素發(fā)酵的工藝流程頭孢菌

4、素對(duì)革蘭陰性菌具有較強(qiáng)的作用,具有耐酸,高效,低毒的優(yōu)點(diǎn),臨床適用于敏感菌所致的諸如素生產(chǎn)通常是在大型生化反響器中,由絲狀菌在液體的生化反響原理,它的根本原料是油,氨水,硫酸銨和消泡劑等.對(duì)于這種生化反響的操作,以往人們是憑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行,由于缺乏生化反響過程參數(shù)的測(cè)量和年來,隨著計(jì)算機(jī),網(wǎng)絡(luò),圖形和通訊技術(shù)的開展,用DCS實(shí)現(xiàn)生化控制已經(jīng)日益顯現(xiàn)其優(yōu)越性:較大的數(shù)據(jù)處理能力,復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的分散性等.在生化控制中需要解決3個(gè)方面的問題:一是參耗氧型生化反響系統(tǒng)測(cè)量與控制過程如圖1所示.2參數(shù)測(cè)量在生化過程中,其根本的參數(shù)測(cè)量可以分為3類:礎(chǔ),這些參數(shù)通過測(cè)量變送后形成4mA-2

5、0mA電流信號(hào),以便被控制系統(tǒng)接收和處理.分別為:Tt-生化反響器溫度,;Pt.生化反響器壓力,MPa;Fa.空氣流量,1TI/min;Fw.冷卻水流量,t/h;Twi.冷卻水進(jìn)口溫度,;Two一冷卻水出口溫度,機(jī)電流,A;Ht一液面高度,1TI.生化過程的參數(shù)測(cè)量中,化學(xué)參數(shù)有2個(gè),分別是pH值和D,這2種測(cè)量方法都是基于電化學(xué)方法的,最后也變送成4mA20mA電流信號(hào).原理,2種或多種金屬導(dǎo)體通過1種或多種電解質(zhì)溶液時(shí)彼此連接,形成一個(gè)電流回路,具有很高輸入阻抗的測(cè)量回路將這2個(gè)電極連接起來,所測(cè)得的電勢(shì)值經(jīng)過換算處理后就形成YpH值.D0值即溶解氧濃度值(簡(jiǎn)稱溶氧值),基于極譜分析法原理

6、,用1支滴汞電極做工作電極,在不斷改變外線,由于可以氧化(或復(fù)原)物質(zhì)在電極上迅速發(fā)生電極反響,造成了濃差極化,從而產(chǎn)生擴(kuò)散電流,擴(kuò)散電作者簡(jiǎn)介:吳曉蘇(1963.),男,浙江杭州人,副教授,主要從事光機(jī)電一體化,計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)研究工作.esearchReport流的大小與參加電極反響的物質(zhì)濃度成正比,經(jīng)過換算后就形成了溶氧度.生物參數(shù)測(cè)量包括呼吸參數(shù)(其中有氧利用率,二氧化碳釋放速率和呼吸商),微生物發(fā)酵熱的測(cè)量等.以物理和化學(xué)參數(shù)為根底,通過物料平衡可以近似計(jì)算出這些參數(shù).氧利用率OUR的計(jì)算:OUR=(21%一O2%)?Fa/V二氧化碳釋放速率CER的計(jì)算:OERCU2IIJ%.Fa

7、/V呼吸商RQ的計(jì)算:RQ(21%一O2l出%)/CO2LIJ%式中:Fa為空氣流量,m3/min:V為反響液體積,m.顯然,這些參數(shù)對(duì)于工藝過程控制是至關(guān)重要的,也是工藝控制中的難點(diǎn).3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與接口方案圖1頭孢菌素發(fā)酵工藝流程測(cè)量信號(hào)AinAout調(diào)節(jié)信號(hào)DinDour圖2DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2是基于某制藥廠頭孢菌素發(fā)酵車問設(shè)備分布制工藝圖形,編寫控制軟件和調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備;操作員站是給現(xiàn)場(chǎng)工作人員監(jiān)控工藝過程用的,操作員沒有使用系統(tǒng)資源的權(quán)限.兩者之間通過權(quán)限進(jìn)行區(qū)分,其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)分為2層:第1層為CNET網(wǎng),用于連接各工程師/操作員站及與過程站中的主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;第2層為I/0NET,用于

8、主控制器與I/0板卡之間的數(shù)據(jù)交換,這些板卡是基于M68000和MCS51系列高性能單片為Ain,Aout,Din和Dout,圖中繪出了它們與各類測(cè)控信體上,現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備包括17個(gè)發(fā)酵大罐,9個(gè)中罐和4個(gè)小罐,所有信號(hào)均按照這種方式進(jìn)行連接.4生化過程控制研究報(bào)告中國(guó)釀造2007年第3期總第168期?37?圖3單電極定量補(bǔ)料控制原理及時(shí)序圖從圖1所示的發(fā)酵工藝流程來看,其控制類型可以分成2類:以順序控制為特征的補(bǔ)料控制和以回路調(diào)節(jié)為特征的連續(xù)控制,這2種控制各有其特點(diǎn),而且是發(fā)酵過程控制中的根底局部,也是今后實(shí)現(xiàn)智能控制的前提.單電極補(bǔ)料控制適用于硫酸銨,油和消泡劑等的補(bǔ)料操作.在連續(xù)或半連續(xù)

9、發(fā)酵過程中,補(bǔ)料控制是最的容積為1L或2L,當(dāng)原料液體接觸上電極的瞬間,控制系統(tǒng)必須立即停止給料,否那么液體就會(huì)溢出,這對(duì)控制時(shí)序圖如圖3.該裝置由補(bǔ)料罐,電磁閥,氣動(dòng)開關(guān)閥,電極和邏蝕材料制成,原料進(jìn)口及出口均在罐的底部,其中V1是進(jìn)料控制閥,V2是出料控制閥,這2個(gè)閥的動(dòng)作嚴(yán)格按照如圖3所示的時(shí)序執(zhí)行,每次補(bǔ)料開始,首先進(jìn)行加率值的設(shè)定,在把狀態(tài)設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)后,控制邏輯單補(bǔ)料動(dòng)作可以分為4個(gè)階段:等待時(shí)間t,v,進(jìn)料時(shí)間ti,物料接觸上電極時(shí)間t和出料時(shí)間t0.其中t,v時(shí)間是根據(jù)加率值計(jì)算出來的,其計(jì)算公式為:tw(s)=3600/(rate/count)式中:ratr加率值,即每小時(shí)

10、參加的物料,L/h;couI1r一加率常數(shù),指的是補(bǔ)料罐的容積,L.例如:工藝上要求加率值設(shè)為40L/h,補(bǔ)料罐的容積為2L,代入公式并計(jì)算得tw=l80s,即每隔180s啟動(dòng)1次補(bǔ)料動(dòng)作.顯然,這個(gè)時(shí)間是相對(duì)固定的,然而,其后的3個(gè)時(shí)問段的持續(xù)時(shí)間是不固定的,它受到物料的黏度和雜質(zhì),儀表供氣壓力等因素的影響.但是,這3個(gè)時(shí)間段都設(shè)置了上限報(bào)警時(shí)間,如果實(shí)際運(yùn)行中超過了報(bào)警值,系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警,以提醒用戶注意或做相應(yīng)的處理.系統(tǒng)設(shè)置為手動(dòng)時(shí),可以對(duì)進(jìn)料閥和出料閥進(jìn)行強(qiáng)制動(dòng)作,該功能通常適用于設(shè)備檢修狀態(tài).素的生產(chǎn)和菌體的生長(zhǎng)都依賴于發(fā)酵液的pI隹【,而且僅在較狹窄的pH范圍內(nèi)才能得到優(yōu)化生長(zhǎng),

11、因此,在發(fā)酵過程中必須嚴(yán)格控1pH值,以維持最正確的生長(zhǎng)和生產(chǎn)條件,當(dāng)發(fā)酵液的pH值有少量波動(dòng)時(shí),可以通過參加氨水或酸極補(bǔ)料控制相比,雙電極控制法在裝置上僅僅增加了一個(gè)判斷液位下限的電極,然而,這使得補(bǔ)料控制的復(fù)雜程度進(jìn)一步提高.一般而言,1次進(jìn)料后,可以分假設(shè)干次出料控制,這主要基于輸出的脈沖寬度和頻率,取果偏差小,每罐的出料次數(shù)增加,每次的出料量少,而調(diào)節(jié)閥相比,這種脈沖式調(diào)節(jié)的最大好處在于開關(guān)閥是沒有泄漏量的,同時(shí)也可以到達(dá)很高的控制精度,其補(bǔ)料原理及時(shí)序圖如圖4所示.esearchRepo補(bǔ)料罐V1圖4雙電極定量補(bǔ)料控制原理及時(shí)序圖4_3消泡控制在頭孢菌素的發(fā)酵過程中,特別是在生化反響

12、前期,微生物生長(zhǎng)旺盛,并且攪拌機(jī)的啟動(dòng)和空氣通入量的加大,反響液上浮得厲害,稍有不慎,就有可能產(chǎn)生逃液現(xiàn)象.此時(shí),必須及時(shí)參加消泡劑,以減少泡沫和防止反響物上升.另一方面,化學(xué)消泡劑的使用還可能對(duì)發(fā)酵過程產(chǎn)生副作用,目前,最新的消泡方法是定量補(bǔ)水,即通過時(shí)序控制將水參加到發(fā)酵液中,這種消泡方法對(duì)發(fā)酵過程的影響將大大減少.傳統(tǒng)的消泡控制是采用電極測(cè)量法,其致命弱點(diǎn)泡控制的思路:根據(jù)工藝狀況設(shè)定一個(gè)消泡加率,由此可以計(jì)算出經(jīng)過多少時(shí)間補(bǔ)充1次消泡劑,消泡劑1次裝滿補(bǔ)料罐,然后分假設(shè)干次均勻下料,其時(shí)序過程如圖5所示.這個(gè)時(shí)序過程似乎與氨水補(bǔ)料類似,但在本質(zhì)上是有區(qū)別的,在消泡的整個(gè)T周期中,td一

13、般可以設(shè)為固定的,twl,tw2等可以根據(jù)M的周期進(jìn)行變化,同時(shí),的值必須有1個(gè)最小上限(即足夠的時(shí)間寬度),否那么,本周期消泡控制未完成時(shí),下1個(gè)周期又開始了,形成邏輯沖突,而氨水的控制不存在這樣的問題.對(duì)3種典型的定量補(bǔ)料控制的設(shè)備結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析,不難發(fā)現(xiàn)這種控制方法中其原料的加率是通過人工寫入的,補(bǔ)料效果的好壞主要取決于加率參數(shù)寫入是否合理,是否可以通過某種方法自動(dòng)地修改這些加率值,從而維持一個(gè)更為合理的生化反響過程呢?VlV2InftwtlAtd,II史l哦tdt,一r一I一rI,一fT圖5消泡控制時(shí)序圖盡管影響頭孢菌素發(fā)酵過程的原因很多,但還是可以從中找到一些規(guī)律.在發(fā)酵過程中,

14、硫酸銨是一種用量較大的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),補(bǔ)硫酸銨的多少對(duì)菌絲的代謝有很大的影響,設(shè)計(jì)一個(gè)頭孢菌素發(fā)酵過程中加硫酸模型的簡(jiǎn)化表達(dá)式:Y=f(t,pH,DO,Tt,CER)?(1)式中:Y_一硫酸銨的加率指標(biāo)(它足一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù),它決定了本罐的發(fā)酵指標(biāo));卜_發(fā)酵時(shí)間(發(fā)酵的前期,中期和后期其硫酸銨加率是不同的);pH一營(yíng)養(yǎng)液的酸堿度值;D()_一溶解氧含量值;Tt_一生化反響器溫度;cER二氧化碳釋放速率.研究報(bào)告中國(guó)釀造2007年第3期總第168期?39?限的t時(shí)間內(nèi),以pH值,DO值,Tt值和CER值為歷史數(shù)據(jù),來求得各個(gè)時(shí)間段的硫酸銨加率.采用改進(jìn)的BP算法對(duì)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,以確定隱層節(jié)

15、點(diǎn)數(shù)目和相應(yīng)的權(quán)值和閾值向量,如圖6所示是頭孢菌素發(fā)酵過程硫酸銨加率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,其基本算法為:r=f(Z+)?.(2)JO(k(O(k-1)+0.(k)?(3)(H1):(f)DJ(k-1)+(k(f)一1)】(4)(f+1):(f)+.(f)一(t-1)】.?(5)式中:Y為網(wǎng)絡(luò)輸出值0各神經(jīng)元輸出值:w各層神經(jīng)元間的權(quán)值;o各神經(jīng)元的閾值;8各神經(jīng)元誤差信號(hào);一慣性常數(shù);II_學(xué)習(xí)步長(zhǎng);i,j各層神經(jīng)元的序數(shù);lr層序數(shù).對(duì)于三層網(wǎng)絡(luò),輸入層為第0層,隱層為第l層,輸出層為第2層.定義誤差函數(shù)為:E(Yip)?(6)式中:卜_樣本序數(shù);I一輸出層神經(jīng)元數(shù):y_輸出各層的目標(biāo)值.定義誤差信

16、號(hào)算式如下:輸出層誤差:約束條件:I(Yi-Y.)I<5L/h(9)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)十次離線和在線試驗(yàn),大約80%的數(shù)據(jù)能夠符合約束條件,余下的數(shù)據(jù)超出約束條件,這說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)這個(gè)特定的發(fā)酵控制上是根本穩(wěn)定收斂的,它在工程上的意義說明:盡管發(fā)酵過程的生化機(jī)理非常復(fù)雜,但是通過合理地調(diào)整某種原料,例如硫酸銨的補(bǔ)料,仍然可以取得比較滿意的控制效果.tpHDOTtCER三層神經(jīng)絡(luò)圖6頭孢菌素發(fā)酵過程硫酸銨補(bǔ)料神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型mentduringcephalosporinfermentation5結(jié)束語頭孢菌素發(fā)酵是復(fù)雜的生物化學(xué)反響過程,具有高度的非線性,時(shí)變性和不確定性,很難通過數(shù)學(xué)解析或試驗(yàn)法得到一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型.就補(bǔ)料過程而言,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,微生物的生長(zhǎng)和生物代謝都要求連續(xù)不斷地補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),使微生物沿著優(yōu)化的生長(zhǎng)軌跡生長(zhǎng),以獲得高產(chǎn)的微生物代謝物.目前為止,還沒有一種儀器能在線測(cè)量微生物的濃度和代謝狀況,這使得補(bǔ)料控制極為困難,一般