DCS在青霉素发酵生产过程中的应用.ppt

DCS 在青霉素发酵生产过程中的应用,一、引言,青霉素是发酵代谢过程中的产物，青霉素发酵是涉及青霉菌生长、繁殖及生产的复杂生产过程，主要有配料、消毒、种子、发酵、生化、霉菌及过滤等工序。青霉素发酵的生产水平取决于生产菌种的特性与发酵条件。在确定了生产菌种的条件下，要使青霉素发酵水平稳定、提高，发酵工艺调控是关键，发酵过程控制是发酵工艺调控方法的具体实施与体现。有效的调控发酵，通过对菌种的环境条件和代谢变化规律参数进行测量，使青霉菌代谢沿着有利于青霉菌的分泌方向进行，以较低的能耗和物耗生产较多的发酵产品，达到稳定和提高发酵水平的目标，发酵过程控制是一个重要的影响因素。,二、生产工艺特点,青霉素发酵是二级发酵，发酵大罐和种子罐发酵。发酵工艺的主要控制对象是由种子罐、发酵罐和补料系统三大部分组成。种子培养基实消后接入孢子，在一定的温度、压力及空气流量等条件下培养一定时间后转移至发酵罐；发酵培养基经实消后接入种子，在一定的温度、压力及空气流量等条件下进行发酵。青霉素发酵为半连续发酵。当发酵进行到一段时间后，开始定量补如母液、前体、硫胺。氨水及水等料，以及时满足青霉素菌合成产物的需要。当发酵到一定时间后，由于有害代谢物的不断累积，产物积累最终难免受到阻遏，常用的解决办法是进行带放。放掉部分发酵液，补入适当料液，这样不仅补入了养分和前体，而且代谢有害物被稀释，有利于产物的继续合成。随着发酵周期的延长，青霉素进行量的积累，在产率降低时开始放罐。整个发酵周期一般在200h左右。,青霉素发酵的工艺流程示意图如图1所示,孢子,种子罐,发酵罐,过滤,配料,自动消沫,母液,前体,硫胺,氨水,水,消毒灭菌,消毒灭菌,培养,发酵,图1 青霉素发酵的工艺流程示意图,青霉素发酵罐测量、控制点示意图如图2所示,图2 青霉素发酵罐测量、控制点示意图,其中：T1、P1、F1：分别为进入发酵罐的消毒空气温度、压力、流量；T2、P2、VCO2、VO2：分别为尾气温度、压力、CO2含量和氧含量；T31、T32：分别为冷却水进、出口温度；P3、F3：分别为冷却水进口压力和流量；T4：发酵罐温度；B：发酵过程补料量；A：搅拌电流；pH：发酵液pH 值；DO2：发酵液溶解氧浓度；：搅拌速度；X、S、P、V:分别为发酵液中的菌丝浓度、葡萄糖浓度、产物效价、发酵体积。,三、影响青霉素发酵水平的因素,温度对发酵的影响 在发酵过程中需要维持生产菌的生长和生产的适当发酵条件，微生物的生长和产物的合成均需在其各自合适的温度下进行。温度是保证酶活性的重要条件，因此，在发酵过程中必须保证最适宜的温度环境。温度的变化对发酵过程产生两方面的影响：一是直接影响发酵过程中的各种反应速度；二是发酵罐内温度通过影响发酵液的物理性质，间接影响产物的合成。pH值对发酵的影响 pH值是微生物生长和产物合成的非常重要的状态参数，是微生物代谢活动的综合指标。青霉素发酵一般采用在发酵过程中通过氨气控制pH值，既调节了pH值在适合青霉素合成的范围内，也补充了产物合成所需的氮源。青霉素生物合成的最适宜pH值为6.5-6.8。,补料对发酵的影响 在半连续发酵中总菌量、黏度和氧的需求一直在增加，直到氧气受到限制。据此，可通过补料速率的调节来控制生长和氧耗，使菌处于半饥饿状态，以使发酵液有足够的氧，从而达到高的青霉素生产速率。泡沫对发酵的影响 发酵过程中因通气搅拌与发酵产生的二氧化碳，以及发酵液中糖、蛋白质和代谢物等稳定泡沫的物质的存在，使发酵液含有一定数量泡沫，这是正常的现象。泡沫的存在可以增加汽液接触面积，有利于氧的传递。当发酵液中含有大量泡沫时，会引起“逃液”，给发酵带来负面影响，表现在：（1）损失发酵液；（2）增加杂菌污染的机会；（3）消沫剂的加入有时会影响发酵或给提炼工序带来麻烦。,四、控制要求和控制方案,概述 青霉素发酵控制系统主要完成对所有相关点的数据采集、控制和补料控制。发酵岗位控制系统分为两部分：（1）大罐发酵控制系统（2）种子罐发酵控制系统大罐发酵控制系统 1）发酵大罐的检测点发酵温度、消毒温度空气流量检测pH值检测DO检测液位检测,2）控制点发酵温度控制自动补料控制pH值控制消沫控制3）发酵控制要求及方案（1）发酵大罐发酵温度控制工艺要求：发酵罐温度控制在26-28度，发酵液温度通过冷却水控制，波动不大于0.5度，当发酵液较少时，发酵液温度不进行控制。控制精度：0.5度。控制方案：发酵罐温度采用单回路调节。,（2）自动补给控制 采用放料等待方案，每一种料需要一个计量罐，一个进料阀，一个放料阀，一个检测电极。发酵罐补料采用小计量罐自动补料控制系统。补料控制机理：以打开进料阀开始进料作为补料过程的开始，待物料上升接触电极，关闭进料电磁阀同时开放放料电磁阀，放料时间结束，关放料电磁阀停止放料，等待下一个补料周期的到来，如此周而复始。补料控制要求：补料控制系统稳定、可靠；补料量计量准确；在线修改补料加率；在线修改设定放料时间；手动置进放料阀；动态显示进料时间；补给的料能够显示累加；能够进行物料报警；在线开关补料启动开关。,精度要求：回路控制周期0.05s。（3）泡沫控制 青霉素一般采用在发酵过程中加油来控制泡沫带来的负面影响，加油过多会影响发酵及给提炼工序带来麻烦。需要一个计量罐，一个进料阀，一个放料阀，一个检测电极。发酵罐加油采用小计量罐自动补料控制系统，补料原理与氨水加率控制类似。泡沫控制的补料控制要求、精度要求及控制方案与pH值控制的完全相同。,种子罐发酵控制系统 1）种子罐检测点发酵温度，消毒温度；好流量检测；pH值检测。2）种子罐控制点发酵温度控制 3）种子罐控制方案种子罐温度自动控制：发酵小罐由于体积小，其温度波动较大，温度控制一般为双向控制。一般前期加热水保温，后期加冷水冷却；要实现温度自动控制，必须有冷热水自动转换装置。计算机根据事先设置的温度控制死区，超过温度控制死区加冷水，低于温度控制死区加热水，开阀时间t及开阀周期T由人工设定。控制精度：不超过0.5度。控制方案：时间比例控制方式。,系统框图如图3所示,五、DCS控制系统设计,图3 青霉素发酵过程控制示意图,测点配置 根据现场生产过程测控需要，测控点均为常规测点，即4-20mA模拟量输入测点（AI），4-20mA模拟量输出测点(AO)，干接点开关量输入测点(DI)，继电器开关量输出测点(DI)，确定测控点规模如下：AI(4-20mA):152;AO(4-20mA):48;DI(干接点):96；DO（24V DC/0.5A）:240。控制站设计 控制系统采用和利时公司的MACS系统。根据生产过程测控要求，配置一个现场控制站和2个远程控制站。针对医药行业滴加补料的特殊要求，对开关量输入/输出信号采用和利时公司医药专用板卡。控制站和远程控制站之间采用现场总线连接，有效保证数据传输的实时性。根据现场生产特点及用户需要，I/O模块没有做热冗余。,系统可靠性设计 系统可靠性设计是系统设计的主要因素，通过选择高可靠性的硬件系统，配合高可靠性的系统设计和应用软件设计，提高整个控制系统的可靠性。控制站设计充分体现了功能分散、危险分散、容错的分布式控制系统理念。不存在因某个硬件故障导致整个控制系统瘫痪的问题。公用部分采用1：1冗余，即主控制器、电源模块及通信部分采用全冗余技术。系统软件采用实时、多任务嵌入式操作系统，编译生产的程序小，CPU负荷轻，有效提供了系统的可靠性。应用软件充分考虑了各种诸如系统可靠性、补料计量准确性、回路控制精度，以及可能出现的漏料、上料、放料等情况。系统采用UPS供电，避免了现场临时停电给系统带来的影响。,数据实时保证（1）控制网络采用现场总线（Profibus-DP），传输速率为500kbps-12Mbps。（2）系统网络采用100MB以太网（/协议）。（3）控制回路控制周期一般为500ms。（4）补料控制回路控制周期为50ms。（5）趋势记录的采样周期和存储时间，根据用户需求而定。一般采样周期设为smin，存取时间为个月或年。,系统安全性的设计 系统可根据用户的实际需要设定5种级别不等的权限，对不同的权限赋予不同的操作对象或不同的可视范围。有效地划分不同的权限所能操作的范围，提高了系统的操作安全性。如果系统停电，控制站主控单元掉电保护功能将系统数据保存，重新上电后，主控单元能够在不进行任何干预的情况下继续正常运行。如果主控单元掉电而I/O模块有电，控制回路输出掉电保持功能将故障给系统的影响控制在最小范围内。,关键控制回路的设计 在青霉素发酵中，关键的控制点是对补料的控制。补料控制包括进料阀和放料阀控制。（1）进料阀控制如图4所示,AND,NOT,OR,NOT,NOT,补料开关,电极,放料电磁阀,进/放料报警,启动脉冲,补料周期到,进料电磁阀,图4 进料阀控制逻辑图,（2）放料阀控制及补料量计算如图5所示,AND,CTU,AND,TIM,NOT,MUL,2,电极,补料开关,补料量,放料电磁阀,图5 放料阀控制及补料量计算逻辑图,系统操作界面的设计 主要操作界面如下所述：（1）小罐工艺流程图画面 小罐工艺流程图画面主要包括：小罐温度控制，空气流量、发酵时间显示，空气流量累计显示。（2）中罐工艺流程图画面 中罐工艺流程图画面主要包括:中罐温度控制，空气流量、pH值、发酵时间显示，空气流量累计显示。（3）大罐工艺流程图画面 大罐工艺流程图画面包括:大罐温度控制，pH值控制，自动补料控制，消沫控制；空气流量、溶氧、发酵液体积、发酵时间及自动补料状态参数显示，空气流量累计显示等。,（4）其他画面 1）操作主菜单画面；2）系统参数总貌画面；3）大罐参数趋势画面；4）大罐补料参数趋势画面；5）中、小罐参数趋势画面；6）系统参数趋势画面。,六、工程实施过程中的常见问题,（1）电源供电系统应有可靠的接地，如果系统设计有UPS不间断电源，UPS的输入电源的输出电源的外壳应可靠的接地。另外，应保证供电电源的质量符合要求。（2）现场控制站、操作员站应有可靠的保护接地，接地电阻小于1欧姆。（3）系统保护地、信号屏蔽地应分开敷设，信号屏蔽地接地电阻小于1欧姆。另外，注意屏蔽信号线单端接地。（4）仪表信号线和动力线应按设计规范分开敷设。（5）认真检查现场接线的正确性。（6）现场电磁阀到隔膜阀的气路管线应尽可能缩短，以减小气源管路的气容，缩短整个控制回路的回路控制周期。（7）因电磁阀动作频率高，其相对故障率较高，现场应选用质量好的电磁阀。（8）补料控制周期要短，以保证补料控制准确，回路控制周期一般设置为50ms。（9）编制控制应用程序应把控制条件考虑全面，避免误动作的发生。,七、总结,该系统的硬件、软件运行稳定，应用软件满足用户需求，为用户降低了能耗、物耗，降低了生产成本，提高了收益率，给用户带来了经济效益。总结起来，系统有以下特点：（1）故障分散。I/O模块处理的点数一般较少，即使I/O模块发生故障（在没有冗余的情况下），最多影响单点或几个点，影响面较小，所造成的损失也比较低。每个I/O模块都可做到1:1的热冗余，但在实际应用中，用户为了降低成本，只对一部分关键点及调节回路进行冗余，即部分冗余。（2）控制站公用部分采用1:1冗余，即主控制器、电源模块及通信部分采用全冗余技术，大大提高了系统的可靠性。（3）现场控制站主控单元计算速度高。在控制周期非常短（50ms）时，主控制的负荷不高（低于30%）。（4）远程控制站的使用，可以大大降低电缆费用，缩短安装时间。（5）医药专用板卡。针对医药行业补料的特殊需要，对开关量输入/输出信号采用和利时公司医药专用板卡。,（6）系统组态方便。系统带有丰富的函数库和丰富的图库，并有强大的在线帮助功能，使系统组态易学易用，即便初学者也能比较顺利的完成任务。（7）系统安装方便。现场信号线直接通过I/O模块的接线端子进入现场控制站，而无需中间端子柜，减少了可能的故障点。（8）系统自诊断功能和模块带电插拨功能的使用，使系统维护简单快速。（9）更加人性化的界面设计。强大的工艺报警、系统报警、趋势记录、操作日志及报表等功能提高了处理故障的效率，有助于用户进行经验积累和事故分析。,Thank 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