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微生物发酵过程环境控制系统
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微生物发酵过程环境控制系统

来源： 2024-05-27 15:43:32      点击：

微生物发酵过程环境控制系统  

    发酵过程较为复杂, 涉及到微生物细胞的生长和代谢, 是一个具有时变性、随机性和多变性输入输出的动态过程。由于有些变量( 菌体浓度、基质浓度、产物得率等) 在线检测困难, 不能直接作为被控变量, 因此在发酵过程中主要采用与质量有关的变量, 如温度、搅拌转速、p H 值、溶解氧、通气量、泡沫等作为被控变量。针对发酵过程中影响微生物代谢的各环境参数的重要性, 主要介绍对温度pH、溶解氧和泡沫高度进行重点控制。  

（1）温度控制  温度控制对于特定的微生物, 都有一个适宜的生长温度。因此, 微生物发酵过程的发酵温度的控制, 是很重要的微生物生长环境参数。PID 控制算法是工业工程中应用广的、技术成熟的基本控制算法, 考虑到其结构简单, 参数易于调整, 控制精度高, 适用性广,并具有无余差功能。所以温度控制采用这种算法, 并单独构成控制回路。  

（2）PH控制  PH值是微生物生长的另一个重要环境参数。在发酵过程中, 必须严格加以控制, 否则会严重影响微生物代谢的进行和代谢产物的合成。由于发酵过程pH 调节对象的特性的时变性较强, 故pH 调节剂的加入与发酵液pH 变化关系复杂,在某些pH 值附近，pH 变化对加入的pH 调节剂的量非常敏感, 而另一些pH 值附近, 灵敏度却显著降低。采用控制蠕动泵的通断时间来调节发酵液中的pH 值可解决该问题。  

（3）溶解氧浓度控制  在耗氧型发酵过程中, 氧是作为微生物生长必须的原料, 若供氧不足, 将会抑制微生物的生长和代谢的进行, 为此, 在发酵过程中, 要保持一定的溶氧浓度DO。影响溶解氧浓度DO 的主要因素有供给的空气量、搅拌桨转速和发酵罐的压力。目前,国内发酵罐溶解氧浓度的控制主要通过采用调节搅拌桨转速或者调节供给的空气量来实现, 并且多为人工操作, 控制精度不高。可将DO 浓度变量( 主参数) 作为被控变量, 以搅拌转速( 副参数) 为控制手段, 组成一个有主、副两个回路的串级控制系统。转速的实际值是不断随发酵罐内的溶氧的变化而变化的, 后达到主参数控制在给定值上。  

（4）液位与消泡控制  在发酵前期, 微生物生长旺盛。加入液料满载, 搅拌马达全速开动, 空气通入量达到大, 这时发酵液上浮很厉害, 稍有不慎, 就可能会产生逃液现象。此时必须及时加入消泡剂, 以减少泡沫, 防止发酵液上浮。采用电阻极棒作为液位检测元件, 当发酵液液面达到一定的高度时, 自动打开消泡剂的阀门, 当液面降回到正常时, 自动关闭消泡剂阀门。在消泡控制中,过程响应较慢, 所以控制回路中应加入时间延迟防止加入过量的消泡剂

 

序号

名称

技术参数

1

罐体

罐体容积：200L-2T；

径 高 比：1：2.5；

装料系数：70%~75%；

罐体材质：不锈钢（304/316可选）；

夹套材质：304不锈钢；

设计压力：0.35Mpa；

工作压力：0.30Mpa；

罐体设有pH、DO、温度、消泡、液位、接种、补料、备用等完全符合国际标准的圆螺纹工艺接口。

2

灭菌方式

在位灭菌，PLC辅助全程监控灭菌过程。

3

搅拌系统

转    速：200L：50~400rpm，2T：50~300rpm；

控制精度：±1%FS；

分 辨 率：1rpm；

轴    承：日本NSK；

采用德国SEW交流减速电机，台达变频器，电机自带冷却风机，能确保电机在恶劣环境中正常运行。

4

空气系统

滤    芯：Sartorius；

过滤精度：0.01μm；

流 量 计：转子流量计；

手动调节进气压力及流量，（可选配压力传感器，数显于触摸屏上）

5

控温系统

测量范围：0~160℃；

控制范围：T+6℃~60℃；

控制精度：±0.2℃；

分 辨 率：0.1℃；

PT100铂金温度传感器，电加热自动加热升温，电磁阀控制冷却自来水自动降温，格兰富循环泵强制内部循环控温水。T为自来水温度。

6

pH控制

测量范围：0.00~14.00pH；

控制范围：2.00~12.00pH；

控制精度：±0.02pH；

分 辨 率：0.01pH；

配置瑞士原装进口Hamilton凝胶式耐高温发酵专用pH电极（可选配Mettler电极），由PLC控制蠕动泵自动流加控制。

7

DO检测

测量范围：0.1~200%；

分 辨 率：0.1%；

可与转速自动关联控制。配置瑞士原装进口Hamilton耐高温发酵专用DO电极（可选配Mettler电极）。

8

消泡、补料系统

由1级机械压迫式高效消泡桨机械消泡；

配置100~100000Ω消泡电极、补料电极，由PLC通过补料口、硅胶管、蠕动泵自动输送消泡剂或培养基，控制泡沫及培养基补充。

9

接种、移种

接种方式：火焰接种；

移种方式：采用压差法由种子罐向下一级培养罐移种或逆向移种。

10

控制系统

PLC+10吋真彩触摸屏+发酵软件包构成发酵生物过程控制系统；

配置现场控制箱，各传感器的变送模块及执行机构，由现场控制箱独立操作；

触摸屏采用人机对话界面，各种发酵数据自动储存，历史表格可方便调出；

历史数据可通过U盘下载至电脑。