DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!一、引言青霉素是發(fā)酵代謝過程中的產(chǎn)物，青霉素發(fā)酵是涉及青霉菌生長、繁殖及生產(chǎn)的復(fù)雜生產(chǎn)過程，主要有配料、消毒、種子、發(fā)酵、生化、霉菌及過濾等工序。青霉素發(fā)酵的生產(chǎn)水平取決于生產(chǎn)菌種的特性與發(fā)酵條件。在確定了生產(chǎn)菌種的條件下，要使青霉素發(fā)酵水平穩(wěn)定、提高，發(fā)酵工藝調(diào)控是關(guān)鍵，發(fā)酵過程控制是發(fā)酵工藝調(diào)控方法的具體實施與體現(xiàn)。有效的調(diào)控發(fā)酵，通過對菌種的環(huán)境條件和代謝變化規(guī)律參數(shù)進(jìn)行測量，使青霉菌代謝沿著有利于青霉菌的分泌方向進(jìn)行，以較低的能耗和物耗生產(chǎn)較多的發(fā)酵產(chǎn)品，達(dá)到穩(wěn)定和提高發(fā)酵水平的目標(biāo)，發(fā)酵過程控制是一個重要的影響因素。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!二、生產(chǎn)工藝特點青霉素發(fā)酵是二級發(fā)酵，發(fā)酵大罐和種子罐發(fā)酵。發(fā)酵工藝的主要控制對象是由種子罐、發(fā)酵罐和補料系統(tǒng)三大部分組成。種子培養(yǎng)基實消后接入孢子，在一定的溫度、壓力及空氣流量等條件下培養(yǎng)一定時間后轉(zhuǎn)移至發(fā)酵罐；發(fā)酵培養(yǎng)基經(jīng)實消后接入種子，在一定的溫度、壓力及空氣流量等條件下進(jìn)行發(fā)酵。青霉素發(fā)酵為半連續(xù)發(fā)酵。當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行到一段時間后，開始定量補如母液、前體、硫胺。氨水及水等料，以及時滿足青霉素菌合成產(chǎn)物的需要。當(dāng)發(fā)酵到一定時間后，由于有害代謝物的不斷累積，產(chǎn)物積累最終難免受到阻遏，常用的解決辦法是進(jìn)行帶放。放掉部分發(fā)酵液，補入適當(dāng)料液，這樣不僅補入了養(yǎng)分和前體，而且代謝有害物被稀釋，有利于產(chǎn)物的繼續(xù)合成。隨著發(fā)酵周期的延長，青霉素進(jìn)行量的積累，在產(chǎn)率降低時開始放罐。整個發(fā)酵周期一般在200h左右。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!青霉素發(fā)酵罐測量、控制點示意圖如圖2所示

圖2青霉素發(fā)酵罐測量、控制點示意圖DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!三、影響青霉素發(fā)酵水平的因素溫度對發(fā)酵的影響在發(fā)酵過程中需要維持生產(chǎn)菌的生長和生產(chǎn)的適當(dāng)發(fā)酵條件，微生物的生長和產(chǎn)物的合成均需在其各自合適的溫度下進(jìn)行。溫度是保證酶活性的重要條件，因此，在發(fā)酵過程中必須保證最適宜的溫度環(huán)境。溫度的變化對發(fā)酵過程產(chǎn)生兩方面的影響：一是直接影響發(fā)酵過程中的各種反應(yīng)速度；二是發(fā)酵罐內(nèi)溫度通過影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)，間接影響產(chǎn)物的合成。pH值對發(fā)酵的影響pH值是微生物生長和產(chǎn)物合成的非常重要的狀態(tài)參數(shù)，是微生物代謝活動的綜合指標(biāo)。青霉素發(fā)酵一般采用在發(fā)酵過程中通過氨氣控制pH值，既調(diào)節(jié)了pH值在適合青霉素合成的范圍內(nèi)，也補充了產(chǎn)物合成所需的氮源。青霉素生物合成的最適宜pH值為6.5-6.8。

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!四、控制要求和控制方案概述青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)主要完成對所有相關(guān)點的數(shù)據(jù)采集、控制和補料控制。發(fā)酵崗位控制系統(tǒng)分為兩部分：（1）大罐發(fā)酵控制系統(tǒng)（2）種子罐發(fā)酵控制系統(tǒng)大罐發(fā)酵控制系統(tǒng)1）發(fā)酵大罐的檢測點發(fā)酵溫度、消毒溫度空氣流量檢測pH值檢測DO檢測液位檢測

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!（2）自動補給控制

采用放料等待方案，每一種料需要一個計量罐，一個進(jìn)料閥，一個放料閥，一個檢測電極。發(fā)酵罐補料采用小計量罐自動補料控制系統(tǒng)。補料控制機理：以打開進(jìn)料閥開始進(jìn)料作為補料過程的開始，待物料上升接觸電極，關(guān)閉進(jìn)料電磁閥同時開放放料電磁閥，放料時間結(jié)束，關(guān)放料電磁閥停止放料，等待下一個補料周期的到來，如此周而復(fù)始。補料控制要求：補料控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠；補料量計量準(zhǔn)確；在線修改補料加率；在線修改設(shè)定放料時間；手動置進(jìn)放料閥；動態(tài)顯示進(jìn)料時間；補給的料能夠顯示累加；能夠進(jìn)行物料報警；在線開關(guān)補料啟動開關(guān)。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!種子罐發(fā)酵控制系統(tǒng)1）種子罐檢測點發(fā)酵溫度，消毒溫度；好流量檢測；pH值檢測。2）種子罐控制點發(fā)酵溫度控制3）種子罐控制方案種子罐溫度自動控制：發(fā)酵小罐由于體積小，其溫度波動較大，溫度控制一般為雙向控制。一般前期加熱水保溫，后期加冷水冷卻；要實現(xiàn)溫度自動控制，必須有冷熱水自動轉(zhuǎn)換裝置。計算機根據(jù)事先設(shè)置的溫度控制死區(qū)，超過溫度控制死區(qū)加冷水，低于溫度控制死區(qū)加熱水，開閥時間t及開閥周期T由人工設(shè)定?？刂凭龋翰怀^0.5度?？刂品桨福簳r間比例控制方式。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!測點配置根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)過程測控需要，測控點均為常規(guī)測點，即4-20mA模擬量輸入測點（AI），4-20mA模擬量輸出測點(AO)，干接點開關(guān)量輸入測點(DI)，繼電器開關(guān)量輸出測點(DI)，確定測控點規(guī)模如下：AI(4-20mA):152;AO(4-20mA):48;DI(干接點):96；DO（24VDC/0.5A）:240?？刂普驹O(shè)計控制系統(tǒng)采用和利時公司的MACS系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)過程測控要求，配置一個現(xiàn)場控制站和2個遠(yuǎn)程控制站。針對醫(yī)藥行業(yè)滴加補料的特殊要求，對開關(guān)量輸入/輸出信號采用和利時公司醫(yī)藥專用板卡?？刂普竞瓦h(yuǎn)程控制站之間采用現(xiàn)場總線連接，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)特點及用戶需要，I/O模塊沒有做熱冗余。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!數(shù)據(jù)實時保證（1）控制網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場總線（Profibus-DP），傳輸速率為500kbps-12Mbps。（2）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用100MB以太網(wǎng)（ＴＣＰ/ＩＰ協(xié)議）。（3）控制回路控制周期一般為500ms。（4）補料控制回路控制周期為50ms。（5）趨勢記錄的采樣周期和存儲時間，根據(jù)用戶需求而定。一般采樣周期設(shè)為１s－１min，存取時間為３個月或１年。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!關(guān)鍵控制回路的設(shè)計在青霉素發(fā)酵中，關(guān)鍵的控制點是對補料的控制。補料控制包括進(jìn)料閥和放料閥控制。（1）進(jìn)料閥控制如圖4所示ANDNOTORNOTNOT補料開關(guān)電極放料電磁閥進(jìn)/放料報警啟動脈沖補料周期到進(jìn)料電磁閥圖4進(jìn)料閥控制邏輯圖DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!系統(tǒng)操作界面的設(shè)計主要操作界面如下所述：（1）小罐工藝流程圖畫面小罐工藝流程圖畫面主要包括：小罐溫度控制，空氣流量、發(fā)酵時間顯示，空氣流量累計顯示。（2）中罐工藝流程圖畫面中罐工藝流程圖畫面主要包括:中罐溫度控制，空氣流量、pH值、發(fā)酵時間顯示，空氣流量累計顯示。（3）大罐工藝流程圖畫面大罐工藝流程圖畫面包括:大罐溫度控制，pH值控制，自動補料控制，消沫控制；空氣流量、溶氧、發(fā)酵液體積、發(fā)酵時間及自動補料狀態(tài)參數(shù)顯示，空氣流量累計顯示等。

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!六、工程實施過程中的常見問題（1）電源供電系統(tǒng)應(yīng)有可靠的接地，如果系統(tǒng)設(shè)計有UPS不間斷電源，UPS的輸入電源的輸出電源的外殼應(yīng)可靠的接地。另外，應(yīng)保證供電電源的質(zhì)量符合要求。（2）現(xiàn)場控制站、操作員站應(yīng)有可靠的保護(hù)接地，接地電阻小于1歐姆。（3）系統(tǒng)保護(hù)地、信號屏蔽地應(yīng)分開敷設(shè)，信號屏蔽地接地電阻小于1歐姆。另外，注意屏蔽信號線單端接地。（4）儀表信號線和動力線應(yīng)按設(shè)計規(guī)范分開敷設(shè)。（5）認(rèn)真檢查現(xiàn)場接線的正確性。（6）現(xiàn)場電磁閥到隔膜閥的氣路管線應(yīng)盡可能縮短，以減小氣源管路的氣容，縮短整個控制回路的回路控制周期。（7）因電磁閥動作頻率高，其相對故障率較高，現(xiàn)場應(yīng)選用質(zhì)量好的電磁閥。（8）補料控制周期要短，以保證補料控制準(zhǔn)確，回路控制周期一般設(shè)置為50ms。（9）編制控制應(yīng)用程序應(yīng)把控制條件考慮全面，避免誤動作的發(fā)生。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!（6）系統(tǒng)組態(tài)方便。系統(tǒng)帶有豐富的函數(shù)庫和豐富的圖庫，并有強大的在線幫助功能，使系統(tǒng)組態(tài)易學(xué)易用，即便初學(xué)者也能比較順利的完成任務(wù)。（7）系統(tǒng)安裝方便。現(xiàn)場信號線直接通過I/O模塊的接線端子進(jìn)入現(xiàn)場控制站，而無需中間端子柜，減少了可能的故障點。（8）系統(tǒng)自診斷功能和模塊帶電插撥功能的使用，使系統(tǒng)維護(hù)簡單快速。（9）更加人性化的界面設(shè)計。強大的工藝報警、系統(tǒng)報警、趨勢記錄、操作日志及報表等功能提高了處理故障的效率，有助于用戶進(jìn)行經(jīng)驗積累和事故分析。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!青霉素發(fā)酵的工藝流程示意圖如圖1所示

孢子種子罐發(fā)酵罐過濾配料自動消沫母液前體硫胺氨水水消毒滅菌消毒滅菌培養(yǎng)發(fā)酵圖1青霉素發(fā)酵的工藝流程示意圖DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!其中：T1、P1、F1：分別為進(jìn)入發(fā)酵罐的消毒空氣溫度、壓力、流量；T2、P2、VCO2、VO2：分別為尾氣溫度、壓力、CO2含量和氧含量；T31、T32：分別為冷卻水進(jìn)、出口溫度；P3、F3：分別為冷卻水進(jìn)口壓力和流量；T4：發(fā)酵罐溫度；B：發(fā)酵過程補料量；A：攪拌電流；pH：發(fā)酵液pH值；DO2：發(fā)酵液溶解氧濃度；ω：攪拌速度；X、S、P、V:分別為發(fā)酵液中的菌絲濃度、葡萄糖濃度、產(chǎn)物效價、發(fā)酵體積。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!補料對發(fā)酵的影響在半連續(xù)發(fā)酵中總菌量、黏度和氧的需求一直在增加，直到氧氣受到限制。據(jù)此，可通過補料速率的調(diào)節(jié)來控制生長和氧耗，使菌處于半饑餓狀態(tài)，以使發(fā)酵液有足夠的氧，從而達(dá)到高的青霉素生產(chǎn)速率。泡沫對發(fā)酵的影響發(fā)酵過程中因通氣攪拌與發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳，以及發(fā)酵液中糖、蛋白質(zhì)和代謝物等穩(wěn)定泡沫的物質(zhì)的存在，使發(fā)酵液含有一定數(shù)量泡沫，這是正常的現(xiàn)象。泡沫的存在可以增加汽液接觸面積，有利于氧的傳遞。當(dāng)發(fā)酵液中含有大量泡沫時，會引起“逃液”，給發(fā)酵帶來負(fù)面影響，表現(xiàn)在：（1）損失發(fā)酵液；（2）增加雜菌污染的機會；（3）消沫劑的加入有時會影響發(fā)酵或給提煉工序帶來麻煩。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!2）控制點發(fā)酵溫度控制自動補料控制pH值控制消沫控制3）發(fā)酵控制要求及方案（1）發(fā)酵大罐發(fā)酵溫度控制工藝要求：發(fā)酵罐溫度控制在26-28度，發(fā)酵液溫度通過冷卻水控制，波動不大于0.5度，當(dāng)發(fā)酵液較少時，發(fā)酵液溫度不進(jìn)行控制?？刂凭龋?.5度?？刂品桨福喊l(fā)酵罐溫度采用單回路調(diào)節(jié)。

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!精度要求：回路控制周期0.05s。（3）泡沫控制青霉素一般采用在發(fā)酵過程中加油來控制泡沫帶來的負(fù)面影響，加油過多會影響發(fā)酵及給提煉工序帶來麻煩。需要一個計量罐，一個進(jìn)料閥，一個放料閥，一個檢測電極。發(fā)酵罐加油采用小計量罐自動補料控制系統(tǒng)，補料原理與氨水加率控制類似。泡沫控制的補料控制要求、精度要求及控制方案與pH值控制的完全相同。

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!系統(tǒng)框圖如圖3所示五、DCS控制系統(tǒng)設(shè)計圖3青霉素發(fā)酵過程控制示意圖DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!系統(tǒng)可靠性設(shè)計系統(tǒng)可靠性設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的主要因素，通過選擇高可靠性的硬件系統(tǒng)，配合高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用軟件設(shè)計，提高整個控制系統(tǒng)的可靠性?？刂普驹O(shè)計充分體現(xiàn)了功能分散、危險分散、容錯的分布式控制系統(tǒng)理念。不存在因某個硬件故障導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)癱瘓的問題。公用部分采用1：1冗余，即主控制器、電源模塊及通信部分采用全冗余技術(shù)。系統(tǒng)軟件采用實時、多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，編譯生產(chǎn)的程序小，CPU負(fù)荷輕，有效提供了系統(tǒng)的可靠性。應(yīng)用軟件充分考慮了各種諸如系統(tǒng)可靠性、補料計量準(zhǔn)確性、回路控制精度，以及可能出現(xiàn)的漏料、上料、放料等情況。系統(tǒng)采用UPS供電，避免了現(xiàn)場臨時停電給系統(tǒng)帶來的影響。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!系統(tǒng)安全性的設(shè)計系統(tǒng)可根據(jù)用戶的實際需要設(shè)定5種級別不等的權(quán)限，對不同的權(quán)限賦予不同的操作對象或不同的可視范圍。有效地劃分不同的權(quán)限所能操作的范圍，提高了系統(tǒng)的操作安全性。如果系統(tǒng)停電，控制站主控單元掉電保護(hù)功能將系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存，重新上電后，主控單元能夠在不進(jìn)行任何干預(yù)的情況下繼續(xù)正常運行。如果主控單元掉電而I/O模塊有電，控制回路輸出掉電保持功能將故障給系統(tǒng)的影響控制在最小范圍內(nèi)。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!（2）放料閥控制及補料量計算如圖5所示ANDCTUANDTIMNOTMUL2電極補料開關(guān)補料量放料電磁閥圖5放料閥控制及補料量計算邏輯圖DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過程中的應(yīng)用共26頁，您現(xiàn)在瀏覽的