基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究

1、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究電氣傳動(dòng)2007年第37卷第11期基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究張中明吳曉蘇方映杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院摘要:青霉素發(fā)酵是一個(gè)非常復(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,介紹了青霉素發(fā)酵的工藝流程,參數(shù)測量方法,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)場設(shè)備連目的是如何在現(xiàn)有的設(shè)備條件下提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平,以便研究不同的條件對青霉素發(fā)酵過程的影響并尋找最正確的控制條件.關(guān)鍵詞:青霉素發(fā)酵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ResearchofthePenicillinFermentationControlSyste

2、mBasedonNeuralNetworkZhangZhongmingWuXiaosuFangYingspecialcharacteristicssuchashighlevelnonlinear,timelinfermentation,themethodsofparametersmeasurement,thestructureoftheequipmentofrawmaterialfeedsearchistOobservetheinfluenceoftheprocessoffermentationunderdifferentconditionsSOastofindtheoptimizedcont

3、ro1condition.Keywords:penicillinfermentationneuralnetwork1青霉素發(fā)酵的工藝流程青霉素是醫(yī)學(xué)上最常用的抗生素之一,現(xiàn)代化的青霉素生產(chǎn)通常是在大型生化反響器中,由于微生物極其復(fù)雜的生化反響原理,它的根本原組成的發(fā)酵培養(yǎng)液在大罐內(nèi)接種后,電機(jī)開始攪拌和進(jìn)行罐內(nèi)通氣,菌絲開始生長,然后釋放出青霉素,對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)的測量和控制系統(tǒng),使得產(chǎn)品本錢和操作費(fèi)用大大增加.近些年來,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

4、的實(shí)決3個(gè)方面的問題:參數(shù)測量,過程控制及控制算制過程如圖1所示.圖1霄霉幕發(fā)酵工藝沉程圖2參數(shù)測量在生化過程中,其根本的參數(shù)測量可以分為測量是根底,這些參數(shù)通過測量變送后形成420mA電流信號(hào),以便被控制系統(tǒng)接收和處理.6】電氣傳動(dòng)2007年第37卷第11期基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究它們分別是:生化反響器溫度T();生化反響器壓力P(MPa);空氣流量Fa(m./min);冷卻水流量F(t/h);冷卻水進(jìn)口溫度T();冷卻水出口溫度丁W.();攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);攪拌電機(jī)電流I(A);液面高度H(m).生化過程的參數(shù)測量中,化學(xué)參數(shù)有2個(gè),它們分別是pH值和DO值,這2種測

5、量方法都是基于電化學(xué)方法的,最后也變送成420mA電流信號(hào).pH值:酸堿度值,pH值的測量是基于電勢測量原理,兩種或多種金屬導(dǎo)體通過一種或多種電解質(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量回路將這兩個(gè)電極連接起來,所測得的電勢值經(jīng)過換算處理后就形成了pH值.DO:溶解氧濃度值,簡稱溶氧值,它是基于極譜分析法原理,用一支滴汞電極做工作電極,在不斷改變外加直流電壓進(jìn)行電解的工作過程中記錄電流一電壓曲線,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)測量包括呼吸參數(shù)

6、(其中有:氧利用率,二氧化碳釋放速率和呼吸商),微生物發(fā)酵熱的測量等.目前,在國內(nèi)外同行業(yè)中,直接能測量這些參數(shù)的儀表很少,但是以上述的物理和化學(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一(21一0)?F/(1)二氧化碳釋放速率CER的計(jì)算:CER=C02m?F/(2)呼吸商RQ的計(jì)算:RQ:(21一02出)/CO2出(3)式中:Fa為空氣流量,m3/nfin;V為反響液體積,m3.顯然,這些參數(shù)是通過前面的物理和化學(xué)參數(shù)計(jì)算出來的,這些參數(shù)對于工藝過程控制是致關(guān)重要的,也是工藝控制中的難點(diǎn).3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2為基于某青霉素發(fā)酵車間設(shè)備分布繪制酵大罐,9個(gè)中罐和

7、4個(gè)小罐,通過現(xiàn)場儀表把設(shè)62制站是控制系統(tǒng)的核心,內(nèi)部裝有主控板和I/O板卡,這些板卡是基于M68000和MCS51系列高性能單片機(jī),采用主從通訊方式,通過高速Cnet網(wǎng)與監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)連接,根據(jù)權(quán)限分配可以將這是提供給技術(shù)人員繪制工藝圖形,編寫控制軟件和調(diào)試現(xiàn)場設(shè)備;操作員站是給現(xiàn)場工作人員監(jiān)管理級(jí)的管理員站是基于以太網(wǎng),通過光纖等傳輸媒介可以遠(yuǎn)程監(jiān)督和管理生產(chǎn)工藝過程.圖2DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖4生化過程控制從圖1所示的發(fā)酵工藝流程來看,其控制類型可以分成兩類:以順序控制為特征的補(bǔ)料控制有其特點(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)料控制適用于糖,本乙酸,硫氨,油

8、等的補(bǔ)料操作.在連續(xù)或半連續(xù)發(fā)酵過程中,補(bǔ)料控制是最根本的,其特點(diǎn)是:一方面,控制的順序性,計(jì)量罐的進(jìn)料和出料控制是嚴(yán)格互斥的;另一方面,實(shí)時(shí)性強(qiáng),通常補(bǔ)料罐的容積為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,這對控制系統(tǒng)料原理及時(shí)序圖,現(xiàn)就這個(gè)過程做一個(gè)根本的分析.該裝置由補(bǔ)料罐,電磁閥,氣動(dòng)開關(guān)閥,電極和邏輯控制單元組成,補(bǔ)料罐通常是由不銹鋼或其它耐腐蝕材料制成,原料進(jìn)口及出口均在罐的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究電氣傳動(dòng)2007年第37卷第11期t-§lIfoIl7'lE電磁閥V一氣動(dòng)開關(guān)閥圖3單電極定量補(bǔ)料控制原理及時(shí)序

9、圖底部,其中V是進(jìn)料控制閥,V.是出料控制閥,這兩個(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,控制邏輯單元會(huì)計(jì)算出料動(dòng)作可以分為4個(gè)階段:等待時(shí)間t,進(jìn)料時(shí)間t,物料接觸上電極時(shí)間和出料時(shí)間t.其中t是根據(jù)加率值計(jì)算出來的,其計(jì)算公式為t一3600/(ratecount)(4)式中:rate為加率值(即每小時(shí)加人多少升物料),L/h;count為加率常數(shù)(指的是補(bǔ)料罐的容積),L;t為計(jì)算結(jié)果,S.例如:工藝上要求加率值設(shè)為40L/h,補(bǔ)料罐的容積為2L,代人式(4)并計(jì)算得t一180S,即每隔180S啟動(dòng)一次補(bǔ)料動(dòng)作.顯然,這個(gè)時(shí)間是

10、相對固定的,然而,其后的3個(gè)時(shí)間段的持續(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).霉素的生產(chǎn)和菌體的生長都依賴于發(fā)酵液的pH值,而且僅在較狹窄的pH范圍內(nèi)才能得到優(yōu)化生長,因此,在發(fā)酵過程中必須嚴(yán)格控制pH值,以維持最正確的生長和生產(chǎn)條件,當(dāng)發(fā)酵液的pH值有少量波動(dòng)時(shí),可以通過加人氨水或酸來中和,當(dāng)pH值超過8時(shí),青霉素的生長會(huì)停止.和單電極補(bǔ)料控制相比,雙電極控制法在裝置上

11、僅僅增加了一個(gè)判斷液位下限的電極,然而,言,一次進(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,取決于發(fā)酵罐中的小,每罐的出料次數(shù)增加,每次的出料量少,而且連續(xù)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)閥沒有泄漏量,同時(shí)也可以到達(dá)很高的控制精度,其特點(diǎn)是時(shí)間序列的判斷和控制比較復(fù)雜.圖4為雙電極定量補(bǔ)料原理及時(shí)序圖.補(bǔ)料罐IJI_一立IflfolIllII-t一IIlIIE電磁閥V氣動(dòng)開關(guān)閥圖4雙電極定量補(bǔ)料控制原理及時(shí)序圖前面我們對兩種典型的定量補(bǔ)料控制的設(shè)備結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了分析,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人的,補(bǔ)料效果的以通過某種方法自動(dòng)地修改這些加

12、率值,從而維持一個(gè)更為合理的生化反響過程.盡管影響青霉素發(fā)酵過程的原因很多,但是中,糖液是一種重要的營養(yǎng)物質(zhì),補(bǔ)糖的多少對菌絲的代謝有很大的影響,在這里,我們設(shè)計(jì)一個(gè)青霉素發(fā)酵過程中加糖的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),用于預(yù)測和在Y=f(t,pH,Do,丁f,CER)(5)式中:y為糖的加率指標(biāo),是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù),它決定了本罐的發(fā)酵指標(biāo);為發(fā)酵時(shí)間,顯然,發(fā)酵的前期,中期和后期其糖加率是不同的;pH為營養(yǎng)液的酸堿度值;DO為溶解氧含量值;丁t為生化反響器溫度;C職為二氧化碳釋放速率.這些值可以直接或間接測得.現(xiàn)在的任務(wù)是:在有限的t時(shí)間內(nèi),以pH值,Do值,T值和CER值為歷史數(shù)據(jù),來求得各個(gè)時(shí)間段的糖加率

13、.63電氣傳動(dòng)2007年第37卷第11期基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)研究這里采用改進(jìn)的BP算法對該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,以確定隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目和相應(yīng)的權(quán)值和閾值向量,圖5為青霉素發(fā)酵過程糖加率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,其根本算法為Y=.廠(wo"+)(6)=廠(wo"+D)(7)w(+1)一Wo()一o5卜"+arw(,()一w(一1)(8)(+1)=()一+口()一(一1)(9)式中:y為網(wǎng)絡(luò)輸出值;()ID為各神經(jīng)元輸出值;w為各層神經(jīng)元間的權(quán)值;為各神經(jīng)元的閾值為各神經(jīng)元誤差信號(hào);a為慣性常數(shù);為學(xué)習(xí)步長;,J為各層神經(jīng)元的序數(shù);k為層序數(shù).tpHDOC職圖5青霉素發(fā)酵過程

14、糈加率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對于3層網(wǎng)絡(luò),輸入層為第0層,隱層為第1層,輸出層為第2層.定義誤差函數(shù)為1L一寺(y一).(1o)式中:P為樣本序數(shù);L為輸出層神經(jīng)元數(shù);Y為輸出各層的目標(biāo)值.那么定義誤差信號(hào)算式如下:輸出層誤差的一y(1一y)(y一y)(11)隱層誤差一o(1一()I)w州'州'(12)約束條件I(y:一Yi)I3L/h(13)經(jīng)過現(xiàn)場的數(shù)十次離線和在線試驗(yàn),大約8O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,例如糖的補(bǔ)料,仍然可

15、以取得比較滿意的控制效果.5結(jié)束語青霉素發(fā)酵是一種復(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?qū)嶒?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,微生物的生長和生物代謝都要求連續(xù)不斷地補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì),使微生物沿著優(yōu)化的生長軌跡生長,以獲得高產(chǎn)的微生物代謝物.目前,還沒有一種儀器能在線測量微生物的濃度和代謝狀況,這使得補(bǔ)料控制極為困難,一般的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)過程是依據(jù)實(shí)驗(yàn)室大量的試驗(yàn)結(jié)果,從而得出一個(gè)近似的補(bǔ)料軌跡線并用此指導(dǎo)補(bǔ)料過程,但是這種方法指導(dǎo)下的補(bǔ)料控制效果還要受到其他不確定因素的影響,就目前而言,精確的理化參數(shù)測量,執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定的工作狀態(tài)和智能優(yōu)

16、化算法的合理使用會(huì)使發(fā)酵工藝朝著理想的方向開展.參考文獻(xiàn)1王樹青,元英進(jìn).生化過程自動(dòng)化技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)出版社,1999:170品干點(diǎn)的在線估計(jì)I-j.自動(dòng)化儀表,2003(1):6O一61硬藕百確麗修改稿日期:20070511第十三屆全國電氣白動(dòng)化與電控系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會(huì)主題報(bào)告第十三屆全國電氣自動(dòng)化與電控系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會(huì)于2007年8月2931日在天津隆重召開,并由業(yè)內(nèi)權(quán)威人士作了主題報(bào)告:由天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所馬小亮高工作"矩陣變頻技術(shù)"報(bào)告,清華大學(xué)李永東教授作"風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及展望"報(bào)告,西門子(中國)徐清書先生作"西門子新一代多傳動(dòng)自動(dòng)化中的應(yīng)用"報(bào)告,南京菲尼克斯電氣杜品圣博士作"IT技術(shù)在傳動(dòng)自動(dòng)化中的應(yīng)用"報(bào)告,哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐殿國教授作"石油業(yè)人工舉升技術(shù)國內(nèi)外開展現(xiàn)狀及趨勢"報(bào)告,南通江海電容