發酵罐的控制系統主要是通過控制熱工和生化參數, 從而達到控制整個發酵罐的工藝參數的目的。發酵罐的控制系統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) 控制的發展過程。在整個發酵罐的工藝控制中, 可分為模擬量控制、開關量控制及各參數的關聯控制。發酵罐的控制參數可分為溫度、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。
發酵控制的DCS系統除了采集、顯示下位機的所有數據外, 還能夠修改和控制參數對象。早期發酵罐控制系統采用數據采集器, 將模擬量信號分別采集, 在模塊中進行模數轉換后, 用計算機的232接口與上位機通訊。后期發酵罐控制系統是采用PLC與上位機通訊的方式, 有的控制器上還采用SCADA系統, 可以對現場的運行設備進行監視和控制, 以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及實現各類信號報警等各項功能。此外, 還將PLC與通用監控軟件MCGS組態軟件應用到發酵類生物反應器控制系統中, 可實時監控現場的環境參數和各執行部件的控制狀態, 能夠滿足不同的工藝要求, 大大提高了系統的可靠性和靈活性。
罐溫會影響發酵過程中酶反應的速率及氧在培養液中的溶解度, 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, 當發酵罐內溫度低于 (或高于) 某個設定值時, 系統將自動開啟加熱器 (或冷卻水電磁閥) , 以達到控制發酵罐溫度的目的。
通過計算在規定的冷卻時間下所需的冷量得出冷卻量, 通過計算在規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溫度的控制波動量為主要參數。若以培養溫度的控制波動量為參數來計算, 往往可設定60%~80%的開度為穩定值;若要兼顧滅菌升溫時間, 那么取值可以低些, 此時培養溫度控制波動量就會大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統中, 如果上述工藝參數計算取值恰當, 則參數控制相對精確, 其中工藝參數可采用飛升曲線計算或經驗法等方法獲得。
在兼顧培養和滅菌的罐溫控制中, 采用PID自動控制, 其培養溫度的波動控制范圍在±0.1℃。其中, 微分作用能提高動態響應速度, 積分作用能有效消除靜態誤差, 使環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, 對發酵設備應當進行清潔、消毒或滅菌。發酵罐通常采用的滅菌方法是濕熱滅菌。
在滅菌溫度控制中, 先進的發酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來替代傳統的疏水閥, 但對所滅菌系統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。
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, 還可增加氧在培養液中的溶解度, 有利于菌的生長及合成。
發酵罐罐體和管路在發酵過程中都需一定的壓力控制。在發酵培養期間, 罐內壓力基本可以保持恒定。然而, 在滅菌降溫的過程中, 為避免負壓吸入環境的非潔凈空氣以及負壓可能將罐體吸癟情況的發生, 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, 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。
發酵過程中, 發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。空氣流量控制設備由空氣壓縮機、壓力表、浮子式流量計組成, 通過手動調節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酵罐內, 取得了良好的控制效果。
在細胞高密度培養中, 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, 控制參數一般是DO值, 往往與攪拌轉速一起進行關聯控制。
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。
在一般的發酵控制中, 攪拌轉速可以單獨控制, 也可以與DO聯控。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PID自動調節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酵前, 設定發酵初始溫度、攪拌轉速 (最高) 、通氣量和罐壓, 以該初始狀態下的溶氧作為溶氧標定。
發酵液的p H值是發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值控制與補料系統主要由蠕動泵 (或其他輸送系統) 及稱重系統組成。除稱重系統外, 這些控制系統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, 系統自動啟動加酸蠕動泵, 以時間比例方式向發酵罐通入酸液, 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。
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, 以保證所有環路的濃度最終達到清洗效果。
發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, 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這種現象。
平時還要關注并留意正常狀態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發酵罐。
發酵罐要有一定數量的備品、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, 某發酵罐的智能溫度控制器采用一套PID參數來控制培養和滅菌溫度, 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, 在系統的積分作用下這個故障不一定出現。
在空壓系統中, 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, 否則易造成系統異常。
本文從發酵罐的系統控制角度出發, 探討了發酵罐罐溫、壓力、空氣流量、攪拌轉速、p H、電導率等工藝參數的控制要點, 并分析了發酵罐及其控制系統的若干使用問題。人們只有對發酵罐控制系統的結構、部件以及性能參數熟悉的前提下, 才能作出相應對策。同時, 要有日常巡檢、保養和應急預案的準備, 這樣才能最大程度地保障發酵罐無故障運行。
