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    活動鏈接：2012年控制網技術專題---實現(xiàn)石油與化工的信息化

   1、概述

     隨著有關學科的發(fā)展和生產工藝的改進，人們對微生物的利用本領越來越高。以微生物為原料進行生產的新產品如雨后春筍，層出不窮,比如：微生物發(fā)酵制藥。微生物發(fā)酵過程是個極其復雜的生化反應過程，對于發(fā)酵罐的操作，以前人們是憑借實踐經驗來進行的，由于缺乏發(fā)酵過程參數(shù)的測量監(jiān)視和控制系統(tǒng)，使得發(fā)酵產品成本高、操作費用大、產品在國際市場上缺乏競爭力，為此，迫切需要對發(fā)酵罐實行優(yōu)化操作和控制。

    杭州優(yōu)穩(wěn)UW500集散控制系統(tǒng)在自動化領域已有廣泛應用，利用UW500集散控制系統(tǒng)對發(fā)酵過程進行監(jiān)控，能大幅度提高發(fā)酵品產量。

    2、工藝簡介

    一般的耗氧型發(fā)酵罐系統(tǒng)如圖1所示，測量的參數(shù)可以分為物理參數(shù)、化學參數(shù)以及生物參數(shù)。

                       圖1  發(fā)酵罐檢測參數(shù)圖

    1、發(fā)酵過程物理參數(shù)

    通常有發(fā)酵罐溫度、發(fā)酵罐壓力、發(fā)酵液體積、空氣流量、冷卻水進出口溫度和流量攪拌馬達轉速、攪拌馬達電流、泡沫高度等，這些物理參數(shù)根據不同種類的發(fā)酵要求，都可以選擇性的選取有關測量儀表來實現(xiàn)自動測量。

    2、發(fā)酵過程化學參數(shù)

    發(fā)酵過程典型的化學參數(shù)有pH值和溶解氧濃度，這兩個參數(shù)對于微生物的生長，代謝產物的形成極為重要。

    3、發(fā)酵過程生物參數(shù)

    生物參數(shù)通常包括生物質呼吸代謝參數(shù)、生物質濃度、代謝產物濃度、底物濃度以及生物比生長速率、底物消耗速率和產物形成速率等。

    3、控制策略

     隨著生物工業(yè)技術的迅速發(fā)展，其生產設備和規(guī)模不斷擴大，生產過程的強化，對自動控制技術的要求越來越迫切，對生化過程實行優(yōu)化控制，可穩(wěn)定生產，提高得率，降低消耗，增加效益。

    1、發(fā)酵罐溫度常規(guī)控制

    對于特定的微生物，它都有一個最適宜的生長溫度。因此，微生物發(fā)酵過程發(fā)酵溫度的控制是一個很重要的微生物生長環(huán)境參數(shù)，必須嚴格的加以控制。影響發(fā)酵溫度的主要因素有微生物發(fā)酵熱、電機攪拌熱、冷卻水本身的溫度。

    對于小型的發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)是以發(fā)酵罐溫度為被控參數(shù)，冷卻水流量為控制參數(shù)的單回路控制方案，對于大型的發(fā)酵罐系統(tǒng)，則采用發(fā)酵罐溫度為主回路，以冷卻水系統(tǒng)為副回路的串級控制或前饋-反饋控制方案。

    2、發(fā)酵罐壓力常規(guī)控制

    發(fā)酵罐操作壓力的變化，將會引起氧在發(fā)酵液中的分壓改變，也就是說影響著溶解氧濃度的變化。影響發(fā)酵罐的壓力主要是供給的消毒空氣的壓力變化，通常控制發(fā)酵罐的壓力是通過調節(jié)排出氣體的量來控制。

    3、發(fā)酵過程中的pH值控制

    pH是微生物生長的另一個重要環(huán)境參數(shù)。在發(fā)酵過程中，必須嚴格加以控制，否則會嚴重影響微生物代謝的進行和代謝產物的合成。在工業(yè)生產上，若發(fā)酵液pH值偏低、氨氮也偏低的時候，則通過加氨水等方法使其pH值回升；如果pH值偏高而氨氮偏低，可以補入硫酸銨或氯化銨；若pH值和氨氮都偏高，在發(fā)酵前期，可適當增加糖的補加量來調整。一般沒有其它的控制手段。因此在pH值控制中必須嚴格控制好調整液的加入量，絕對不能過量。如圖2所示，pH值的控制常由pH測量電極和變送器、pH控制器、空氣開關和氣動開關閥組成。

                              圖2  PH值控制

    4、發(fā)酵過程中的溶解氧濃度控制

    在耗氧型發(fā)酵過程中，氧是作為微生物生長必須的原料，若供氧不足，將會抑制微生物的生長和代謝的進行。為此在發(fā)酵過程中要保持一定的溶解氧濃度。影響溶解氧濃度的主要因素有供給的空氣量、攪拌器轉速和發(fā)酵罐的壓力。

                        圖3  串級控制回路

    這里采用了一個串級控制回路，在保證對通入蒸汽量的調節(jié)滿足溶解氧濃度要求的同時，及時消除了壓力波動的影響。如果溶解氧濃度的調節(jié)通過調節(jié)攪拌機的轉速來實現(xiàn)，情況類似。如前所述，發(fā)酵罐內壓力的波動對溶解氧濃度有影響，因此，在通過調節(jié)通入的空氣流量來實現(xiàn)溶解氧濃度控制時，需要考慮這種影響。如果在發(fā)酵罐壓力有自動控制的情況下則認為發(fā)酵罐壓力恒定不變。目前，國內發(fā)酵罐攪拌器轉速一般是恒定不變的，所以只要通過調節(jié)供給的空氣量來控制溶解氧濃度。當然，也有同時對發(fā)酵罐轉速和供應的空氣量進行綜合調節(jié)的做法。

    5、發(fā)酵過程中的消泡控制

    在發(fā)酵前期，微生物生長旺盛時期，加入料液滿載，攪拌馬達全速開動，空氣通入量達到最大。這時候，發(fā)酵液上浮得很厲害，稍有不慎，就可能會產生逃液現(xiàn)象。此時，必須即時加入消泡劑，以減少泡沫，防止發(fā)酵液上浮。消泡控制通常采用雙位式的控制方法，當發(fā)酵液液面達到一定的高度時，自動打開消泡劑的閥門，當液面降回到正常時，自動關閉消泡劑閥門。

    6、發(fā)酵過程中的補料控制

    在半連續(xù)發(fā)酵過程中，隨著發(fā)酵的進行，微生物生長狀態(tài)和生物代謝狀況，中間要繼續(xù)不斷補充營養(yǎng)物質，使微生物沿著最優(yōu)的生長軌跡生長，以獲得高產的微生物代謝產物。由于微生物和代謝狀況無法在線測量，使得這一補料極為困難，一般的發(fā)酵工業(yè)生產過程是根據實驗室大量的試驗研究結果得出的補料曲線來指導工業(yè)生產的補料，發(fā)酵工藝技術人員根據離線的化驗室化驗的數(shù)據，適當修正補料速率，這種方法對于有大量實踐經驗的人來說可能會做出好的判斷決策，但往往不盡如人意，不能確保發(fā)酵過程沿著最優(yōu)的曲線進行，不能獲得最好的代謝產物。針對這種發(fā)酵過程的復雜性和信息的缺乏，發(fā)酵工藝技術人員與自動控制人員一起共同研究，試圖尋找出更好的補料方法和策略。例如，基于出口氣體二氧化碳的釋放率來控制補料速率、用化學元素的平衡方法來調整補糖量、用控制呼吸商的方法來控制補料等。

    4、控制工程

     在發(fā)酵生產過程中，對溫度、pH、溶解氧等進行實時監(jiān)控是重點，杭州優(yōu)穩(wěn)UW500集散控制系統(tǒng)經過不斷的研究分析、開發(fā)創(chuàng)新，已經在擁有廣泛應用，能夠完成勝任這一要求，為發(fā)酵生產提供優(yōu)質的自動化控制。
    
  

                 圖4 系統(tǒng)結構圖

                           圖5 發(fā)酵罐

    5、小結

    本工程自從用UW500集散控制系統(tǒng)投運以來，運行平穩(wěn)，效果顯著，操作平穩(wěn)率，單罐產量，產品質量等都大大提高；工人勞動強度，原料消耗等都有大幅度降低，同時也確保了裝置的平穩(wěn)安全運行。直接提高了企業(yè)的市場競爭能力，為企業(yè)帶來了十分明顯的經濟效益。此項目成功的投產表明UW500集散控制系統(tǒng)擁有優(yōu)質的穩(wěn)定性、可靠性。