DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!一、引言青霉素是發(fā)酵代謝過(guò)程中的產(chǎn)物，青霉素發(fā)酵是涉及青霉菌生長(zhǎng)、繁殖及生產(chǎn)的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程，主要有配料、消毒、種子、發(fā)酵、生化、霉菌及過(guò)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(guò)程控制是發(fā)酵工藝調(diào)控方法的具體實(shí)施與體現(xiàn)。有效的調(diào)控發(fā)酵，通過(guò)對(duì)菌種的環(huán)境條件和代謝變化規(guī)律參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(guò)程控制是一個(gè)重要的影響因素。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!二、生產(chǎn)工藝特點(diǎn)青霉素發(fā)酵是二級(jí)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(duì)象是由種子罐、發(fā)酵罐和補(bǔ)料系統(tǒng)三大部分組成。種子培養(yǎng)基實(shí)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(shí)間后轉(zhuǎn)移至發(fā)酵罐；發(fā)酵培養(yǎng)基經(jīng)實(shí)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(shí)間后，開(kāi)始定量補(bǔ)如母液、前體、硫胺。氨水及水等料，以及時(shí)滿足青霉素菌合成產(chǎn)物的需要。當(dāng)發(fā)酵到一定時(shí)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(bǔ)入適當(dāng)料液，這樣不僅補(bǔ)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(zhǎng)，青霉素進(jìn)行量的積累，在產(chǎn)率降低時(shí)開(kāi)始放罐。整個(gè)發(fā)酵周期一般在200h左右。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!青霉素發(fā)酵罐測(cè)量、控制點(diǎn)示意圖如圖2所示

圖2青霉素發(fā)酵罐測(cè)量、控制點(diǎn)示意圖DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!三、影響青霉素發(fā)酵水平的因素溫度對(duì)發(fā)酵的影響在發(fā)酵過(guò)程中需要維持生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)和生產(chǎn)的適當(dāng)發(fā)酵條件，微生物的生長(zhǎng)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(guò)程中必須保證最適宜的溫度環(huán)境。溫度的變化對(duì)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生兩方面的影響：一是直接影響發(fā)酵過(guò)程中的各種反應(yīng)速度；二是發(fā)酵罐內(nèi)溫度通過(guò)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(duì)發(fā)酵的影響pH值是微生物生長(zhǎng)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(dòng)的綜合指標(biāo)。青霉素發(fā)酵一般采用在發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)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(bǔ)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(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!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(duì)所有相關(guān)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、控制和補(bǔ)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(cè)點(diǎn)發(fā)酵溫度、消毒溫度空氣流量檢測(cè)pH值檢測(cè)DO檢測(cè)液位檢測(cè)

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!（2）自動(dòng)補(bǔ)給控制

采用放料等待方案，每一種料需要一個(gè)計(jì)量罐，一個(gè)進(jìn)料閥，一個(gè)放料閥，一個(gè)檢測(cè)電極。發(fā)酵罐補(bǔ)料采用小計(jì)量罐自動(dòng)補(bǔ)料控制系統(tǒng)。補(bǔ)料控制機(jī)理：以打開(kāi)進(jìn)料閥開(kāi)始進(jìn)料作為補(bǔ)料過(guò)程的開(kāi)始，待物料上升接觸電極，關(guān)閉進(jìn)料電磁閥同時(shí)開(kāi)放放料電磁閥，放料時(shí)間結(jié)束，關(guān)放料電磁閥停止放料，等待下一個(gè)補(bǔ)料周期的到來(lái)，如此周而復(fù)始。補(bǔ)料控制要求：補(bǔ)料控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠；補(bǔ)料量計(jì)量準(zhǔn)確；在線修改補(bǔ)料加率；在線修改設(shè)定放料時(shí)間；手動(dòng)置進(jìn)放料閥；動(dòng)態(tài)顯示進(jìn)料時(shí)間；補(bǔ)給的料能夠顯示累加；能夠進(jìn)行物料報(bào)警；在線開(kāi)關(guān)補(bǔ)料啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!種子罐發(fā)酵控制系統(tǒng)1）種子罐檢測(cè)點(diǎn)發(fā)酵溫度，消毒溫度；好流量檢測(cè)；pH值檢測(cè)。2）種子罐控制點(diǎn)發(fā)酵溫度控制3）種子罐控制方案種子罐溫度自動(dòng)控制：發(fā)酵小罐由于體積小，其溫度波動(dòng)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(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制，必須有冷熱水自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。計(jì)算機(jī)根據(jù)事先設(shè)置的溫度控制死區(qū)，超過(guò)溫度控制死區(qū)加冷水，低于溫度控制死區(qū)加熱水，開(kāi)閥時(shí)間t及開(kāi)閥周期T由人工設(shè)定?？刂凭龋翰怀^(guò)0.5度?？刂品桨福簳r(shí)間比例控制方式。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!測(cè)點(diǎn)配置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程測(cè)控需要，測(cè)控點(diǎn)均為常規(guī)測(cè)點(diǎn)，即4-20mA模擬量輸入測(cè)點(diǎn)（AI），4-20mA模擬量輸出測(cè)點(diǎn)(AO)，干接點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入測(cè)點(diǎn)(DI)，繼電器開(kāi)關(guān)量輸出測(cè)點(diǎn)(DI)，確定測(cè)控點(diǎn)規(guī)模如下：AI(4-20mA):152;AO(4-20mA):48;DI(干接點(diǎn)):96；DO（24VDC/0.5A）:240?？刂普驹O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用和利時(shí)公司的MACS系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程測(cè)控要求，配置一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站和2個(gè)遠(yuǎn)程控制站。針對(duì)醫(yī)藥行業(yè)滴加補(bǔ)料的特殊要求，對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出信號(hào)采用和利時(shí)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(chǎng)總線連接，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)特點(diǎn)及用戶需要，I/O模塊沒(méi)有做熱冗余。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保證（1）控制網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場(chǎng)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(bǔ)料控制回路控制周期為50ms。（5）趨勢(shì)記錄的采樣周期和存儲(chǔ)時(shí)間，根據(jù)用戶需求而定。一般采樣周期設(shè)為１s－１min，存取時(shí)間為３個(gè)月或１年。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!關(guān)鍵控制回路的設(shè)計(jì)在青霉素發(fā)酵中，關(guān)鍵的控制點(diǎn)是對(duì)補(bǔ)料的控制。補(bǔ)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(bǔ)料開(kāi)關(guān)電極放料電磁閥進(jìn)/放料報(bào)警啟動(dòng)脈沖補(bǔ)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(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!系統(tǒng)操作界面的設(shè)計(jì)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(shí)間顯示，空氣流量累計(jì)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(shí)間顯示，空氣流量累計(jì)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(dòng)補(bǔ)料控制，消沫控制；空氣流量、溶氧、發(fā)酵液體積、發(fā)酵時(shí)間及自動(dòng)補(bǔ)料狀態(tài)參數(shù)顯示，空氣流量累計(jì)顯示等。

DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!六、工程實(shí)施過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)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(jì)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(chǎng)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(hào)屏蔽地應(yīng)分開(kāi)敷設(shè)，信號(hào)屏蔽地接地電阻小于1歐姆。另外，注意屏蔽信號(hào)線單端接地。（4）儀表信號(hào)線和動(dòng)力線應(yīng)按設(shè)計(jì)規(guī)范分開(kāi)敷設(shè)。（5）認(rèn)真檢查現(xiàn)場(chǎng)接線的正確性。（6）現(xiàn)場(chǎng)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(gè)控制回路的回路控制周期。（7）因電磁閥動(dòng)作頻率高，其相對(duì)故障率較高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)選用質(zhì)量好的電磁閥。（8）補(bǔ)料控制周期要短，以保證補(bǔ)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(dòng)作的發(fā)生。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!（6）系統(tǒng)組態(tài)方便。系統(tǒng)帶有豐富的函數(shù)庫(kù)和豐富的圖庫(kù)，并有強(qiáng)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?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)線直接通過(guò)I/O模塊的接線端子進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制站，而無(wú)需中間端子柜，減少了可能的故障點(diǎn)。（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(jiǎn)單快速。（9）更加人性化的界面設(shè)計(jì)。強(qiáng)大的工藝報(bào)警、系統(tǒng)報(bào)警、趨勢(shì)記錄、操作日志及報(bào)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(yàn)積累和事故分析。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!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(guò)濾配料自動(dòng)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(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!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(guò)程補(bǔ)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(jià)、發(fā)酵體積。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!補(bǔ)料對(duì)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(guò)補(bǔ)料速率的調(diào)節(jié)來(lái)控制生長(zhǎng)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(duì)發(fā)酵的影響發(fā)酵過(guò)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(shí)，會(huì)引起“逃液”，給發(fā)酵帶來(lái)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(jī)會(huì)；（3）消沫劑的加入有時(shí)會(huì)影響發(fā)酵或給提煉工序帶來(lái)麻煩。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!2）控制點(diǎn)發(fā)酵溫度控制自動(dòng)補(bǔ)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(guò)冷卻水控制，波動(dòng)不大于0.5度，當(dāng)發(fā)酵液較少時(shí)，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(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!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(guò)程中加油來(lái)控制泡沫帶來(lái)的負(fù)面影響，加油過(guò)多會(huì)影響發(fā)酵及給提煉工序帶來(lái)麻煩。需要一個(gè)計(jì)量罐，一個(gè)進(jìn)料閥，一個(gè)放料閥，一個(gè)檢測(cè)電極。發(fā)酵罐加油采用小計(jì)量罐自動(dòng)補(bǔ)料控制系統(tǒng)，補(bǔ)料原理與氨水加率控制類似。泡沫控制的補(bǔ)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(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!系統(tǒng)框圖如圖3所示五、DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3青霉素發(fā)酵過(guò)程控制示意圖DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要因素，通過(guò)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(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。控制站設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了功能分散、危險(xiǎn)分散、容錯(cuò)的分布式控制系統(tǒng)理念。不存在因某個(gè)硬件故障導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓的問(wèn)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(shí)時(shí)、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(bǔ)料計(jì)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(chǎng)臨時(shí)停電給系統(tǒng)帶來(lái)的影響。DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!系統(tǒng)安全性的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可根據(jù)用戶的實(shí)際需要設(shè)定5種級(jí)別不等的權(quán)限，對(duì)不同的權(quán)限賦予不同的操作對(duì)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(yùn)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(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!（2）放料閥控制及補(bǔ)料量計(jì)算如圖5所示ANDCTUANDTIMNOTMUL2電極補(bǔ)料開(kāi)關(guān)補(bǔ)料量放料電磁閥圖5放料閥控制及補(bǔ)料量計(jì)算邏輯圖DCS在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用共26頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的