【正文】 .................................................. 37 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................ 38 致 謝 ............................................................................................................................................... 41 附 錄 ................................................................................................................................................. 42 南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 1 第一章 引言 生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥技術(shù)的發(fā)展背景 在輕工發(fā)酵方面 ,我國(guó)是其中的一個(gè)工業(yè)大國(guó)，但是不足的是我國(guó)在微生物發(fā)酵方面的控制技術(shù)方面還是比較落后的，人工控制仍然是我國(guó)在微生物發(fā)酵方面所采用的主要手 段，我國(guó)開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)的時(shí)間在工業(yè)大國(guó)的行列中算是比較晚的，而且普及的也不夠。在輕工發(fā)酵行業(yè)中，各個(gè)國(guó)家面臨著與日俱增的全球競(jìng)爭(zhēng)，由此利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制整個(gè)發(fā)酵過程的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種新興技術(shù)也使各個(gè)國(guó)家強(qiáng)烈需求的。 作坊式或家庭式的發(fā)酵制作在長(zhǎng)期的發(fā)展過程中漸漸演變出了發(fā)酵工程，也就是常說的“農(nóng)產(chǎn)手工加工時(shí)期”，而后又建立了一個(gè)階段，人們將化學(xué)工程也應(yīng)用到了發(fā)酵工程的工業(yè)化生產(chǎn)，也就是“近代發(fā)酵工程時(shí)期”，最后一切又回到了對(duì)于微生物生命活動(dòng)的研究，設(shè)計(jì)和指導(dǎo)上來，這也就是所謂的“現(xiàn)代發(fā)酵工程”，從此發(fā)酵工 程步入了整個(gè)生物工程的行列。手工作坊式是最原始的發(fā)酵制作，這種發(fā)酵完全就是從祖輩憑借他們的經(jīng)驗(yàn)和技巧總結(jié)出來的一套流程來生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，弊端就是由于是手工作坊，所以就會(huì)導(dǎo)致會(huì)有繁重的體力勞動(dòng)，除此之外，整個(gè)發(fā)酵的生產(chǎn)規(guī)模也不會(huì)太大，產(chǎn)品也不會(huì)太多，整個(gè)生產(chǎn)效率也不會(huì)高，工業(yè)化的生產(chǎn)更是可望而不可即。于是，隨著人們的需求不斷增多，越來越多新的嘗試應(yīng)用用到了發(fā)酵制造上來，隨著化學(xué)工程和農(nóng)業(yè)化學(xué)方面的知識(shí)運(yùn)用到發(fā)酵生產(chǎn)過程中，工業(yè)化的發(fā)酵制造逐漸得到了一些實(shí)現(xiàn)，人們首先規(guī)范了發(fā)酵生產(chǎn)工藝，在技術(shù)方面，人工搬運(yùn)的肩挑 手提式制造逐漸被管道運(yùn)輸和泵所取代，以機(jī)器代替了人工，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵工程的初步工業(yè)化，這一次發(fā)酵生產(chǎn)效率相較于之前的人工作方式有了明顯提升，原因就是人們?cè)诎l(fā)酵生產(chǎn)過程中融入了化學(xué)工程和農(nóng)業(yè)化學(xué)的相關(guān)知識(shí)。 隨著化學(xué)工程以及農(nóng)業(yè)化學(xué)在發(fā)酵制造上的應(yīng)用，也就是初步的工業(yè)化生產(chǎn)過程在發(fā)酵制造上應(yīng)用了幾十年的時(shí)間，人們隨著經(jīng)驗(yàn)和技巧發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵工程中是存在一定的規(guī)律第一章 引言 2 的，也就是發(fā)酵過程實(shí)際上就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的生物學(xué)過程，這個(gè)過程隨著時(shí)間發(fā)生變化。人們結(jié)合化學(xué)工程的知識(shí)對(duì)這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了分析，了解到發(fā)酵成產(chǎn)，尤其是大規(guī)模的生產(chǎn)往往 難以出現(xiàn)自己預(yù)期的效果，從化學(xué)方面來看，發(fā)酵所用的發(fā)酵罐實(shí)際上就是一個(gè)反應(yīng)器，這個(gè)反應(yīng)器提供給生產(chǎn)原料進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)，發(fā)酵罐中的微生物充當(dāng)了催化劑，而催化劑對(duì)于發(fā)酵效率的提升是一定的，這種催化作用難以發(fā)揮微生物特有的生命潛力，所以才會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品的結(jié)果往往很難預(yù)測(cè)出結(jié)果，于是，人們又回到了對(duì)于微生物的研究上來，一切回到原點(diǎn)，研究人員有了新的認(rèn)識(shí)，發(fā)酵工程真正的核心其實(shí)就是微生物而并非一系列的化學(xué)方程式，研究人員認(rèn)定了微生物的生物學(xué)屬性，進(jìn)而有了新的方向就是對(duì)于微生物的研究，讓你們真正進(jìn)入了生物工程的 領(lǐng)域，這也是如今生物發(fā)酵行業(yè)最開始的地方，正因?yàn)榉较虻恼_，才有了后期的這個(gè)行業(yè)的蓬勃發(fā)展。 隨著生物發(fā)酵工程的發(fā)展，研究人員對(duì)于生物發(fā)酵所需的條件有了越來越全面的了解，總結(jié)起來就是：在培養(yǎng)基，溫度， ph，溶解氧，攪拌等達(dá)到一定的條件之后進(jìn)行培養(yǎng)發(fā)酵，利用微生物的生物特征以及各個(gè)微生物各自的特定功能，并且將現(xiàn)代工程技術(shù)應(yīng)用到整個(gè)發(fā)酵工程工業(yè)化生產(chǎn)中，發(fā)酵制造出對(duì)于人類有用的物質(zhì)，這個(gè)技術(shù)體系中包括的內(nèi)容有選育工業(yè)生產(chǎn)菌株，控制并且選擇對(duì)于微生物發(fā)酵最有利的條件，設(shè)計(jì)微生物發(fā)酵的反應(yīng)器也就是所說的發(fā)酵罐，最后 還有對(duì)于最后的微生物發(fā)酵得到的產(chǎn)物進(jìn)行分離、提取和精致等。在發(fā)酵過程中會(huì)應(yīng)用到許許多多的工作方式，其中深層發(fā)酵時(shí)發(fā)酵過程中使用的典型工作方式。深層發(fā)酵顧名思義也就是將微生物放在液體的底物里面進(jìn)行培養(yǎng)，這樣就可以與表面培養(yǎng)之間相互形成比較。隨著溶解氧以及通氣工藝在技術(shù)上的不斷進(jìn)步發(fā)展，由表面培養(yǎng)進(jìn)入到深層攪拌培養(yǎng)這種培養(yǎng)方式也應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)酵工程的逐漸發(fā)展，一些方式不斷衍生出來，一些方式也逐漸被淘汰，這種利用通氣技術(shù)的深層發(fā)酵工作方式成為微生物發(fā)酵過程中最主要的生產(chǎn)方法，這個(gè)方法的誕生也被譽(yù)為是發(fā)酵工程史上的一 個(gè)里程碑。 生物發(fā)酵行業(yè)不斷的發(fā)展便隨而來的是越來越多的關(guān)注，科技、工業(yè)、政府等業(yè)界都看到了這個(gè)行業(yè)更好的前景，越來越重視生化工業(yè)。由此，生物發(fā)酵罐的體積也由幾立方米不斷發(fā)展到了幾十立方米，再到現(xiàn)如今的幾百立方米，有的地方甚至達(dá)到了上千立方米。生物發(fā)酵為什么會(huì)獲得這么廣泛的關(guān)注以及這么快速的發(fā)展壯大，因?yàn)檫@其中所生產(chǎn)出來南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 3 的發(fā)酵產(chǎn)物與人們?nèi)粘５纳钕⑾⑾嚓P(guān)，可以說現(xiàn)如今就是離不開的，這些生產(chǎn)出來的發(fā)酵產(chǎn)物有二次代謝產(chǎn)物（抗生素）、有機(jī)物質(zhì)（類固醇），除此之外還有工業(yè)污水處理以及酶制劑、食用蛋白、飼料添加劑，這 些都是通過發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)出來的，也隨著發(fā)酵產(chǎn)品的不斷增多，發(fā)酵工程這一行業(yè)發(fā)展飛速，但是也出現(xiàn)了一些問題需要去解決，例如發(fā)酵制造過程中的參數(shù)測(cè)量、操作監(jiān)控、自動(dòng)控制、優(yōu)化操作與控制等等，這些都是隨著發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展需要不斷去改進(jìn)和完善的。 微生物發(fā)酵的過程需要對(duì)溫度、 ph、 DO 等參數(shù)進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的控制，如果單純依靠人工進(jìn)行控制會(huì)導(dǎo)致一系列的問題出現(xiàn)，控制效果差，而且這樣的培養(yǎng)環(huán)境對(duì)于工作人員的安全也是一個(gè)極大的威脅，同樣的，勞動(dòng)的強(qiáng)度也很大，最終一切的努力也還是換來生產(chǎn)率的低下，可見微生物發(fā)酵過程是一個(gè)非常復(fù)雜 的過程，需要穩(wěn)定控制的參數(shù)特別多，而且?guī)讉€(gè)參數(shù)之間都是缺一不可的。后來想到了利用 PLC 200 SMART 以及 WinCC 系統(tǒng)來控制整個(gè)發(fā)酵的工作流程，在研究過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)他們主要需要解決的問題就是對(duì)于控制精度的要求如何實(shí)現(xiàn)以及面對(duì)一些發(fā)酵過程中的干擾問題如何通過這個(gè)系統(tǒng)自行解決?；谶@樣兩個(gè)問題，本文選用現(xiàn)如今流行于工控領(lǐng)域的西門子 SMART 系列的 PLC S7200 作為控制平臺(tái)，以 WinCC 作為監(jiān)控平臺(tái)，設(shè)計(jì)出了微生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際的運(yùn)行使用，成功的解決了以上所說的兩個(gè)問 題，系統(tǒng)控制精度高，采用 PID 控制調(diào)節(jié)來抗干擾并且維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)出的這個(gè)微生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)能夠提高在生物發(fā)酵的過程中給藥的快速性和準(zhǔn)確性，除此之外， PLC 自動(dòng)加藥的控制線路簡(jiǎn)單易懂，可以很容易的實(shí)現(xiàn)頻繁動(dòng)作以及日常的維護(hù)工作，再者而言，這個(gè)系統(tǒng)大大減輕了勞動(dòng)人員的工作強(qiáng)度，而且也不會(huì)需要工作人員進(jìn)入惡劣的環(huán)境進(jìn)行加藥等操作，經(jīng)濟(jì)效益也隨著自動(dòng)化快速、穩(wěn)定的生產(chǎn)得到了有效的提升。 生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥技術(shù)的現(xiàn)狀 發(fā)酵過程的進(jìn)行是一個(gè)比較慢的過程，發(fā)酵在進(jìn)行的過程中，發(fā)酵液中基質(zhì)的 濃度、菌體濃度、產(chǎn)物濃度都會(huì)發(fā)生變化，而且發(fā)酵液的性質(zhì)如密度、粘度、熱傳遞系數(shù)和氧傳遞系數(shù)等變化。除了這些變化，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，發(fā)酵液的溫度、 ph、 DO、體積都會(huì)不斷第一章 引言 4 發(fā)生變化，這就需要監(jiān)控界面要實(shí)時(shí)的反應(yīng)出變化的曲線，并且可以進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的控制，這樣就可以保證生產(chǎn)效率盡可能的高。現(xiàn)如今，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)即 4C 技術(shù)的快速發(fā)展，將這些技術(shù)不斷的應(yīng)用的發(fā)酵過程當(dāng)中，提高著生物發(fā)酵的生產(chǎn)效率，讓整個(gè)系統(tǒng)過程自動(dòng)化的程度越來越高，穩(wěn)定性也越來越好，調(diào)節(jié)的速度也越來越快， 這些都是不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)為生物發(fā)酵行業(yè)所帶來的不斷改進(jìn)。 控制整個(gè)發(fā)酵過程并不是說需要一直看著發(fā)酵的狀態(tài)，最主要的還是需要對(duì)一些重要參數(shù)的控制，例如發(fā)酵過程中的 DO、 ph、溫度、攪拌量、液位等等，將這些控制在一個(gè)穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上，這就提供給了微生物發(fā)酵一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境，而且這個(gè)發(fā)酵環(huán)境也是相對(duì)而言發(fā)酵產(chǎn)出比較高的環(huán)境，換一句話說控制了這幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)也就控制了整個(gè)發(fā)酵的過程。因此對(duì)于發(fā)酵的控制很關(guān)鍵，一般我們使用的發(fā)酵控制分為兩類：離線控制和在線控制。離線控制需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，而且這個(gè)數(shù)學(xué)模型還要描述 出過程動(dòng)力學(xué)特征，然而，在實(shí)際的發(fā)酵過程應(yīng)用狀態(tài)下，過程動(dòng)力學(xué)特征的數(shù)學(xué)模型曲線會(huì)發(fā)生偏移，導(dǎo)致的結(jié)果就是離線控制的性能會(huì)被影響甚至惡化。另一種控制發(fā)酵過程的方式是在線控制，這種控制方法是將實(shí)際測(cè)量值和發(fā)酵之前的設(shè)定值兩者之間相互比較，之間的所產(chǎn)生的偏差會(huì)被 PLC 中的反饋控制調(diào)節(jié)器檢測(cè)并且按照既定的編程自動(dòng)對(duì)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而逐漸縮小偏差量，最終使得實(shí)際測(cè)量值和設(shè)定值之間能夠維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，通俗一點(diǎn)來說就是將實(shí)際測(cè)量值控制在設(shè)定值附件，使整個(gè)系統(tǒng)依舊高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過剛剛的敘述比較，可見離線控制 和在線控制這兩種發(fā)酵過程的控制方法，在線控制明顯更優(yōu)，在線控制方法能夠在過程動(dòng)力學(xué)特征發(fā)生偏移、發(fā)酵環(huán)境發(fā)生變化之后處理的更好，通過反饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)自適應(yīng)整個(gè)發(fā)酵過程，所以說在線控制方法對(duì)于生物發(fā)酵自動(dòng)控制系統(tǒng)是再合適不過了。 發(fā)酵反應(yīng)器中的溫度、 ph、 DO、攪拌量、液位的控制都是發(fā)酵系統(tǒng)中常見的環(huán)境因素。隨著計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展以及監(jiān)控觸摸屏相關(guān)產(chǎn)品的出現(xiàn)，生物發(fā)酵系統(tǒng)也將這一技術(shù)應(yīng)用到了其中。現(xiàn)如今，市場(chǎng)上出現(xiàn)的生物發(fā)酵控制器主要有三種形式：以 MCU 為核心；可編程控制器 PLC 為基礎(chǔ)；工控機(jī)。德國(guó)的貝朗公 司在 1982 年將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到微南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 5 生物發(fā)酵控制系統(tǒng)中，該公司也是最早將生物發(fā)酵設(shè)備商業(yè)化的公司。除此之外，一些工廠級(jí)的發(fā)酵系統(tǒng)應(yīng)用了多臺(tái)生物發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行發(fā)酵作業(yè)，從整體的發(fā)酵系統(tǒng)而言，目前主要有兩種形式，一種是集散控制系統(tǒng)，也就是常說的 DCS 系統(tǒng)；另一種是現(xiàn)場(chǎng)總線控制。這兩個(gè)系統(tǒng)為各個(gè)工廠公司收獲了良好的效益，這一點(diǎn)毋庸置疑。 除了生物發(fā)酵設(shè)備，隨著生物發(fā)酵行業(yè)技術(shù)的日趨進(jìn)步，研究人員也不斷的創(chuàng)新，更加穩(wěn)定的控制著發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)部的參數(shù)，后來這些參數(shù)有些甚至可以直接進(jìn)行獨(dú)立的控制，下面詳細(xì)了解一下這幾種較為成 熟的控制實(shí)現(xiàn)方式，例如： ph 值得控制方法、溫度控制方法、溶解氧控制方法、消泡控制方法。 ph 值得控制方法：生物發(fā)酵有很多種，其中有很多的發(fā)酵只有在 ph值維持在一個(gè)很小的范圍區(qū)間才能最高效的進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，甚至說有些發(fā)酵需要恒定的 ph 值才能高效發(fā)酵，因此對(duì)于這些發(fā)酵生產(chǎn)， ph 值得實(shí)時(shí)控制就顯得尤為重要，所以說常規(guī)的 ph控制方法肯定就不足以滿足高效發(fā)酵這一要求，因此，我們將智能控制的方法應(yīng)用到了 ph控制中，而且也取得了很理想的效果。在 ph 的模糊控制中，首先將實(shí)際測(cè)量的 ph 值與設(shè)定值之間求差值，將這個(gè)求值作為過程的 輸入，加入酸或者加入堿的量就作為目標(biāo)輸入，將 ph值和酸堿輸入量經(jīng)精確量模糊化，然后在轉(zhuǎn)換為模糊變量值，建立起與之相對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則，得出模糊關(guān)系，然后在這個(gè)關(guān)系的基礎(chǔ)上作出模糊判斷，計(jì)算出需要加入酸或者堿的量，使實(shí)際測(cè)量 ph 值與設(shè)定值之間的偏差不斷縮小，最終達(dá)到生物發(fā)酵生產(chǎn)的要求，取得理想的效果。 溫度控制方法：對(duì)于生物發(fā)酵中的溫度控制可以借鑒之前的在線控制，采用分段的反饋調(diào)節(jié)算法，將各個(gè)階段的反饋參數(shù)固化在控制器內(nèi)部，雖然這種控制算法不能說像 ph 值調(diào)節(jié)那么準(zhǔn)確，但是在實(shí)際的應(yīng)用上卻是收到了很好的效果。在生物 發(fā)酵系統(tǒng)的溫度控制上，如果采用熱交換，這將會(huì)產(chǎn)生很大的時(shí)間滯后，而且，還具有不確定性，但是如果采用具有快速性、穩(wěn)定性的比例積分微分控制算法調(diào)節(jié)（ PID 調(diào)節(jié)），所以，反饋控制和熱交換兩者相結(jié)合，這個(gè)方法將會(huì)使得實(shí)際測(cè)量值在一個(gè)狀態(tài)下到達(dá)設(shè)定值所運(yùn)行的時(shí)間最短，也就是最優(yōu)。 溶解氧控制方法：溶解氧控制也被稱為 DO 控制，發(fā)酵過程中的溶氧值會(huì)受到很多因第一章 引言 6 素的影響，例如攪拌量、反應(yīng)器的壓力值和溫度、基質(zhì)濃度等等，有些參數(shù)比較容易檢測(cè)出來，有些可以說以現(xiàn)階段的技術(shù)升值檢測(cè)不出來，所以說溶氧值在發(fā)酵過程中可以說是一個(gè)綜合參 數(shù)，對(duì)于這個(gè)參數(shù)的影響不可能完全消除。除此之外，在實(shí)際發(fā)酵過程中，不同的菌體對(duì)于氧的需求量也會(huì)不同，而且，微生物發(fā)酵過程中會(huì)存在染菌，這又會(huì)致使對(duì)于氧的需求增大。因此，對(duì)于發(fā)酵過程中溶解氧的控制很難通過系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的控制方法很難控制溶氧量達(dá)到理想的效果。所以，對(duì)于這一參數(shù)的控制我們將采用人工智能的方法 —— 專家系統(tǒng)。首先綜合操作經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樵诿總€(gè)階段發(fā)酵過程對(duì)于氧的需求都不一樣，因此根據(jù)這個(gè)情況劃分不同發(fā)酵階段對(duì)于氧需求的變化區(qū)域。給出了變化區(qū)域的知識(shí)庫，推理機(jī)運(yùn)用知識(shí)庫中知識(shí)