發(fā)酵罐的控制系統(tǒng)主要是通過控制熱工和生化參數(shù), 從而達到控制整個發(fā)酵罐的工藝參數(shù)的目的。發(fā)酵罐的控制系統(tǒng)大致經歷了儀表控制、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)展過程。在整個發(fā)酵罐的工藝控制中, 可分為模擬量控制、開關量控制及各參數(shù)的關聯(lián)控制。發(fā)酵罐的控制參數(shù)可分為溫度、壓力、流量、攪拌轉速、液位、p H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。
發(fā)酵罐從碳鋼制造到不銹鋼制造的變化進程中, 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儀表, 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相同。
發(fā)酵控制的DCS系統(tǒng)除了采集、顯示下位機的所有數(shù)據(jù)外, 還能夠修改和控制參數(shù)對象。早期發(fā)酵罐控制系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集器, 將模擬量信號分別采集, 在模塊中進行模數(shù)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(tǒng)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(tǒng), 可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制, 以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及實現(xiàn)各類信號報警等各項功能。此外, 還將PLC與通用監(jiān)控軟件MCGS組態(tài)軟件應用到發(fā)酵類生物反應器控制系統(tǒng)中, 可實時監(jiān)控現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和各執(zhí)行部件的控制狀態(tài), 能夠滿足不同的工藝要求, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。
罐溫會影響發(fā)酵過程中酶反應的速率及氧在培養(yǎng)液中的溶解度, 其與菌體生長、抗生素合成及溶解氧都有密切關系。
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(guī)定的冷卻時間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個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) 某個設定值時, 系統(tǒng)將自動開啟加熱器 (或冷卻水電磁閥) , 以達到控制發(fā)酵罐溫度的目的。
通過計算在規(guī)定的冷卻時間下所需的冷量得出冷卻量, 通過計算在規(guī)定的加熱時間下所需的熱量得出加熱量。通過焓值計算和換熱速率, 得出換熱面積, 也就是發(fā)酵罐的夾套或盤管的面積。通過對管路長度、介質壓力及壓力損失的計算, 才能確定換熱管的管徑, 進而確定控制閥的通徑, 控制閥通徑是以培養(yǎng)溫度的控制波動量為主要參數(shù)。若以培養(yǎng)溫度的控制波動量為參數(shù)來計算, 往往可設定60%~80%的開度為穩(wěn)定值;若要兼顧滅菌升溫時間, 那么取值可以低些, 此時培養(yǎng)溫度控制波動量就會大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統(tǒng)中, 如果上述工藝參數(shù)計算取值恰當, 則參數(shù)控制相對精確, 其中工藝參數(shù)可采用飛升曲線計算或經驗法等方法獲得。
在兼顧培養(yǎng)和滅菌的罐溫控制中, 采用PID自動控制, 其培養(yǎng)溫度的波動控制范圍在±0.1℃。其中, 微分作用能提高動態(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的波動。
按照工藝與GMP要求, 對發(fā)酵設備應當進行清潔、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, 先進的發(fā)酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來替代傳統(tǒng)的疏水閥, 但對所滅菌系統(tǒng)與蒸汽管路及閥門通徑的設計有一定要求。在滅菌程序設計中, 通蒸汽時間和疏水時間間隔應相匹配, 在疏水隔膜閥打開的瞬間, 其罐體壓力幾乎不變, 且冷凝水被有效疏掉, 此過程沒有冷點出現(xiàn)。
在滅菌溫度控制中, 應考慮升溫曲線中的溫度波動周期, 一般設定為到達設定溫度的1 min后才正式計時, 以滿足濕熱滅菌的F0值要求。
發(fā)酵罐維持正壓既可以杜絕由于罐壓為零時造成的染菌, 還可增加氧在培養(yǎng)液中的溶解度, 有利于菌的生長及合成。
發(fā)酵罐罐體和管路在發(fā)酵過程中都需一定的壓力控制。在發(fā)酵培養(yǎng)期間, 罐內壓力基本可以保持恒定。然而, 在滅菌降溫的過程中, 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, 降溫過程中的壓力影響是非控制參數(shù), 這時的壓力是用進氣閥控制。
空氣流量作用:空氣是給好氣菌供氧的重要來源。
攪拌轉速作用:提高攪拌轉速可以增加氧的溶解速度。
發(fā)酵過程中, 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, 即空氣流量與攪拌轉速。
在培養(yǎng)過程中, 罐體需要一定的空氣流量, 這時流量用進氣閥控制, 壓力用排氣閥控制?？諝饬髁靠刂圃O備由空氣壓縮機、壓力表、浮子式流量計組成, 通過手動調節(jié)空氣壓縮機的進氣量, 以流量計計算空氣流量, 用壓縮機以一定的壓力將空氣打入發(fā)酵罐內, 取得了良好的控制效果。
在細胞高密度培養(yǎng)中, 要控制空氣和氧氣兩種流量, 流量控制裝置中有混合的總流量和分別通入的不同流量, 混合過程中只有考慮兩者的壓力平衡, 才能進行有效的流量控制, 控制參數(shù)一般是DO值, 往往與攪拌轉速一起進行關聯(lián)控制。
在線清洗過程中的空氣流量開關是控制氣吹是否結束的檢測裝置。
在一般的發(fā)酵控制中, 攪拌轉速可以單獨控制, 也可以與DO聯(lián)控。攪拌轉速控制回路由轉速檢測元件、控制器、變頻器、電機組成, 其中電機攪拌轉速由變頻器控制。例如, 用簡單的單回路常規(guī)PID自動調節(jié)電機轉速的方法進行DO控制。
在攪拌轉速控制的同時, 還要關注槳葉形式、剪切力以及攪拌功率, 流量控制還要注意氣泡的大小形式。
發(fā)酵液的DO值直接影響微生物的酶活性、代謝途徑及產物產量, 因此DO值標定十分重要。在滅菌升溫過程中, 當溫度達到120℃后, DO電極零點的標定值就是溶氧標定的零點值;DO電極100%滿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。
發(fā)酵液的p H值是發(fā)酵過程中各種生化反應的酸堿性的綜合反映。
p H值補料形式有流加、滴加兩種, p H值控制與補料系統(tǒng)主要由蠕動泵 (或其他輸送系統(tǒng)) 及稱重系統(tǒng)組成。除稱重系統(tǒng)外, 這些控制系統(tǒng)受罐間的壓差影響較大, 其中還有液位引起的壓力變化, 稱重系統(tǒng)還受液面波動的影響, 所以要視罐的大小、徑高比和使用情況綜合考慮。目前, p H控制裝置由一個加酸蠕動泵和一個加堿蠕動泵組成。當p H值高于設定值時, 系統(tǒng)自動啟動加酸蠕動泵, 以時間比例方式向發(fā)酵罐通入酸液, 直至設定值;當p H小于設定值時, 則啟動加堿蠕動泵進行調節(jié)。
排氣O2和排氣CO2是判斷微生物復蘇及呼氣狀況的指標, 往往與攪拌轉速等供氧情況關聯(lián)控制。
電導率是控制CIP清洗液濃度的指標和水洗后Na OH殘余量的指標。
這兩者都設有延時判斷, 以保證所有環(huán)路的濃度最終達到清洗效果。
發(fā)酵罐首次使用及排空后使用要注意:夾套注滿水, 檢查浮球排氣閥及其他排氣管路裝置的排氣狀態(tài), 以保證夾套的高液位。否則, 易導致滅菌的升溫時間滯后, 且升溫不正常。滅菌升溫不正常還與以下幾方面有關:
(1) 進水閥是否正常, 是否堵塞;
(2) 疏水閥是否堵塞, 換熱夾套高溫高壓時是否內漏, 升溫時的內漏不一定伴有巨大撞擊聲, 只有在降溫時才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
平時還要關注并留意正常狀態(tài)時滅菌不同階段的罐內外溫差和壓差, 這樣才能快速判斷是冷熱水閥、輸水閥、換熱夾套, 還是液位引起的故障。
溫度的誤差往往可能是由于溫度計套管中缺少導熱硅脂引起, 也可能是國產導熱硅脂長時間干枯引起, 因此要定期維護保養(yǎng)發(fā)酵罐。
發(fā)酵罐要有一定數(shù)量的備品、備件, 并且羅列所有的器件作應急預案, 這樣才能快速修復或處理生產中的異常狀況。
如, 配備一個通用控制器來處理某一控制回路的異常狀況, 用電阻箱解決壓力變送器出現(xiàn)的故障時, 對機械壓力表進行手動控制, 從而使生產程序正常進行, 用手動調壓器控制氣動控制閥的開度來進行應急控制等。
又如, 對于補料罐的磁力攪拌, 由于長期的滅菌高溫和時間推移, 內部的永久磁鐵漸漸失磁, 加上一般啟動器的短時啟動, 在啟動和停止時內外磁鐵會脫離吸合而不跟轉, 而用變頻器設置長時間爬坡啟動可將磁力攪拌故障消除, 并大大延長了使用壽命。
再如, 某發(fā)酵罐的智能溫度控制器采用一套PID參數(shù)來控制培養(yǎng)和滅菌溫度, 并通過外部PLC信號切換, 在達到121℃滅菌溫度時發(fā)出一個計時信號。了解了這些功能后, 可以采用4 000元的歐陸溫控器替代數(shù)萬元的上述控制器。
PLC控制器的故障相對比較少, 可以通過運行指示燈作初步判斷, 一般只要程序在運行就基本可以認為核心器件無故障。問題可能出在開關量或模擬量輸出上, 如筆者曾經遇到模擬量輸出故障, 其電流輸出不再是原先的4~20 m A, 而是在未知的一段時間內逐漸降到了0~8 m A, 同時在氣動控制閥用久、行程阻力增加的雙重作用下, 8 m A信號已經開啟不了這個閥門, 才導致溫度控制不佳, 如果閥門能有一定的開度, 在系統(tǒng)的積分作用下這個故障不一定出現(xiàn)。
在空壓系統(tǒng)中, 二位三通電磁閥在長期的油污影響下, 會在擋板噴嘴處形成一定的粘連, 從而導致開啟緩慢滯后或干脆打不開。因此, 二位三通電磁閥擋板噴嘴也要視空壓機的情況進行定期清潔保養(yǎng), 否則易造成系統(tǒng)異常。
本文從發(fā)酵罐的系統(tǒng)控制角度出發(fā), 探討了發(fā)酵罐罐溫、壓力、空氣流量、攪拌轉速、p H、電導率等工藝參數(shù)的控制要點, 并分析了發(fā)酵罐及其控制系統(tǒng)的若干使用問題。人們只有對發(fā)酵罐控制系統(tǒng)的結構、部件以及性能參數(shù)熟悉的前提下, 才能作出相應對策。同時, 要有日常巡檢、保養(yǎng)和應急預案的準備, 這樣才能最大程度地保障發(fā)酵罐無故障運行。
