發(fā)酵罐工藝參數的控制要點(diǎn)及其系統使用問(wèn)題探討
發(fā)酵罐的控制系統主要是通過(guò)控制熱工和生化參數，從而達到控制整個(gè)發(fā)酵罐的工藝參數的目的。發(fā)酵罐的控制系統大致經(jīng)歷了儀表控制、儀表+PLC控制（早期的邏輯控制）、PLC控制及其組成的DCS（分散）控制的發(fā)展過(guò)程。在整個(gè)發(fā)酵罐的工藝控制中，可分為模擬量控制、開(kāi)關(guān)量控制及各參數的關(guān)聯(lián)控制。發(fā)酵罐的控制參數可分為溫度、壓力、流量、攪拌轉速、液位、pH值、DO值（溶氧量）、排氣O2和排氣CO2、菌絲密度及CIP中的電導率等。
1、 發(fā)酵罐的發(fā)展歷程
發(fā)酵罐從碳鋼制造到不銹鋼制造的變化進(jìn)程中，除了一次性發(fā)酵罐多采用磁力攪拌和部分部件采用一次性?xún)x表，通氣管從上部移到了側部，并且將一次性袋子固定在容器中以外，其他控制部件的形式均與原來(lái)相同。
發(fā)酵控制的DCS系統除了采集、顯示下位機的所有數據外，還能夠修改和控制參數對象。早期發(fā)酵罐控制系統采用數據采集器，將模擬量信號分別采集，在模塊中進(jìn)行模數轉換后，用計算機的232接口與上位機通訊。后期發(fā)酵罐控制系統是采用PLC與上位機通訊的方式，有的控制器上還采用SCADA系統，可以對現場(chǎng)的運行設備進(jìn)行監視和控制，以實(shí)現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及實(shí)現各類(lèi)信號報警等各項功能。此外，還將PLC與通用監控軟件MCGS組態(tài)軟件應用到發(fā)酵類(lèi)生物反應器控制系統中，可實(shí)時(shí)監控現場(chǎng)的環(huán)境參數和各執行部件的控制狀態(tài)，能夠滿(mǎn)足不同的工藝要求，大大提高了系統的可靠性和靈活性。
1 發(fā)酵罐工藝參數的控制要點(diǎn)
1.1 、罐溫控制
1.1.1 參數作用罐溫會(huì )影響發(fā)酵過(guò)程中酶反應的速率及氧在培養液中的溶解度，其與菌體生長(cháng)、抗生素合成及溶解氧都有密切關(guān)系。
1.1.2 罐溫控制罐溫控制主要包括控制加熱量與冷卻量。其中，加熱量是由工藝計算而得；冷卻量是指在加熱或滅菌后，且在規定的冷卻時(shí)間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個(gè)加熱器和冷卻水電磁閥組成，當發(fā)酵罐內溫度低于（或高于）某個(gè)設定值時(shí)，系統將自動(dòng)開(kāi)啟加熱器（或冷卻水電磁閥），以達到控制發(fā)酵罐溫度的目的。
通過(guò)計算在規定的冷卻時(shí)間下所需的冷量得出冷卻量，通過(guò)計算在規定的加熱時(shí)間下所需的熱量得出加熱量。通過(guò)焓值計算和換熱速率，得出換熱面積，也就是發(fā)酵罐的夾套或盤(pán)管的面積。通過(guò)對管路長(cháng)度、介質(zhì)壓力及壓力損失的計算，才能確定換熱管的管徑，進(jìn)而確定控制閥的通徑，控制閥通徑是以培養溫度的控制波動(dòng)量為主要參數。若以培養溫度的控制波動(dòng)量為參數來(lái)計算，往往可設定60%～80%的開(kāi)度為穩定值；若要兼顧滅菌升溫時(shí)間，那么取值可以低些，此時(shí)培養溫度控制波動(dòng)量就會(huì )大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統中，如果上述工藝參數計算取值恰當，則參數控制相對精確，其中工藝參數可采用飛升曲線(xiàn)計算或經(jīng)驗法等方法獲得。在兼顧培養和滅菌的罐溫控制中，采用PID自動(dòng)控制，其培養溫度的波動(dòng)控制范圍在±0.1 ℃。其中，微分作用能提高動(dòng)態(tài)響應速度，積分作用能有效消除靜態(tài)誤差，使環(huán)境溫度不對罐溫控制產(chǎn)生影響。當然，換熱夾套的設計要盡可能薄，以減少溫控滯后所帶來(lái)的波動(dòng)。
1.1.3 滅菌控制按照工藝與GMP要求，對發(fā)酵設備應當進(jìn)行清潔、消毒或滅菌。發(fā)酵罐通常采用的滅菌方法是濕熱滅菌。在滅菌溫度控制中，先進(jìn)的發(fā)酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來(lái)替代傳統的疏水閥，但對所滅菌系統與蒸汽管路及閥門(mén)通徑的設計有一定要求。在滅菌程序設計中，通蒸汽時(shí)間和疏水時(shí)間間隔應相匹配，在疏水隔膜閥打開(kāi)的瞬間，其罐體壓力幾乎不變，且冷凝水被有效疏掉，此過(guò)程沒(méi)有冷點(diǎn)出現。在滅菌溫度控制中，應考慮升溫曲線(xiàn)中的溫度波動(dòng)周期，一般設定為到達設定溫度的1 min后才正式計時(shí)，以滿(mǎn)足濕熱滅菌的F0值要求。
1.2 壓力控制
1.2.1 參數作用發(fā)酵罐維持正壓既可以杜絕由于罐壓為零時(shí)造成的染菌，還可增加氧在培養液中的溶解度，有利于菌的生長(cháng)及合成。1.2.2 壓力控制發(fā)酵罐罐體和管路在發(fā)酵過(guò)程中都需一定的壓力控制。在發(fā)酵培養期間，罐內壓力基本可以保持恒定。然而，在滅菌降溫的過(guò)程中，為避免負壓吸入環(huán)境的非潔凈空氣以及負壓可能將罐體吸癟情況的發(fā)生，需要通入一定的空氣保壓。其中，降溫過(guò)程中的壓力影響是非控制參數，這時(shí)的壓力是用進(jìn)氣閥控制。
1.3 空氣流量、攪拌轉速控制
1.3.1 參數作用空氣流量作用：空氣是給好氣菌供氧的重要來(lái)源。攪拌轉速作用：提高攪拌轉速可以增加氧的溶解速度。
1.3.2 空氣流量、攪拌轉速控制發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵罐的壓力一般可以保持恒定，制約溶解氧濃度的因素有兩個(gè)，即空氣流量與攪拌轉速。
1.3.3 DO值標定發(fā)酵液的DO值直接影響微生物的酶活性、代謝途徑及產(chǎn)物產(chǎn)量，因此DO值標定十分重要。在滅菌升溫過(guò)程中，當溫度達到120 ℃后，DO電極零點(diǎn)的標定值就是溶氧標定的零點(diǎn)值；DO電極100%滿(mǎn)度值的標定是指在正式發(fā)酵前，設定發(fā)酵初始溫度、攪拌轉速（最高）、通氣量和罐壓，以該初始狀態(tài)下的溶氧作為溶氧標定。
