TDCS9200在生物发酵控制中的应用 - 文章

TDCS9200在生物发酵控制中的应用

作者：浙大中自集成控制公司巩向信

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随着人们生活水平的不断提高，人们对于营养的要求也越来越高。赖氨酸是一种人和动物必须的氨基酸，但在许多粮食原料中却相对缺乏。因此，人工合成赖氨酸在食品行业得到广泛应用。目前赖氨酸已成为第二大发酵氨基酸产品，且需求旺盛。

由于微生物发酵过程是一个机理复杂，要求严格的工业过程，目前大多数食品企业主要以人工经验手动调节为主，严重影响了产品的得率和成本。而采用基于现场总线的集散控制系统，能够大大提高发酵过程的控制品质，它应用各种先进的控制算法，在过程模型不是很清楚的情况下仍能对发酵过程进行优化控制。浙大中自公司开发的SunyTDCS9200集散控制系统具有组态灵活、易于扩展、兼容性好、性价比高等优点，在食品行业得到广泛应用。

工艺流程

发酵法生产赖氨酸通常以玉米、淀粉、甘蔗或甜菜制糖后的废藏蜜为原料，其工艺过程为：淀粉中的酸或酶经水解成淀粉糖，加入营养盐调pH 值后，进入发酵罐进行灭菌处理，然后接入种子培养物便其发酵，经过微生物发酵后的浓缩液冷冻结晶、离心分离、烘干提纯后即得产品。人机界面如图1所示。

图1：人机界面

系统配置

针对赖氨酸生产过程的特点，以及用户的需求，我们对赖氨酸发酵过程采用组态灵活，可靠性好，易于扩展的SunyTDCS9200集散控制系统进行配置。我们为糖化车间、发酵车间、赖氨酸车间各设置一个现场控制站配操作面板，中央控制室内配置操作员站两台，工程师站一台，打印机一台，其中：·控制站负责对现场过程数据进行采集，处理及完成控制功能，并通过高速，可靠而开放的冗余系统总线网络与操作站相连，能够实现与其他集散型计算机控制系统、上层信息管理系统的无隙连接。·操作站/工程师站，采用主流工控机配置，装有Windows 2000 Professional操作系统和先进的组态软件SunyTech 7.0，实现了赖氨酸生产过程的优化控制和安全操作，生成友好的人机界面实时、安全、可靠地对赖氨酸生产过程实行监督、控制和优化。系统结构如图2所示。

图2：系统结构

控制方案

● 发酵温度的调节与控制

发酵罐的温度一方面通过改变发酵液的物理性质间接作用于产生菌的代谢活动；另一方面通过对酶活性的影响直接作用于菌体生长和产物合成。在整个发酵过程中，不同的阶段对应于不同的适宜温度。变温操作比恒温操作能得到更高产率。温度通过计算机进行监视、记录；发酵过程温度控制系统是以生化反应器温度为主回路被控变量，以夹套内换热介质温度为副回路被控变量，分程控制热水、冷水阀位的串行控制结构，实践证明该控制方案能够充分克服对象滞后大、具有明显的时变性的缺点，达到精确控制温度的目的。

● 发酵过程压力控制

发酵过程操作压力的变化，将会引起氧在反应液中的分压改变，也就是说影响着溶解氧浓度的变化。影响发酵过程压力主要是供给的消毒空气的压力变化。通常控制发酵过程压力通过单回路PID 控制器调节排出气体量来控制。

● pH值控制

pH值是微生物生长的另外一个重要环境参数，在生化反应过程中，必须严格加以控制，否则会严重影响微生物的代谢的进行和代谢产品合成。菌种、培养基和发酵条件决定着pH值的变化。pH的变化会影响酶的活力，并有可能改变菌体代谢的途径及细胞的结构和功能。本方案中，通过分程调节加碱液的流量，维持发酵罐的PH值在某一设定值，以达到最佳的发酵PH值条件。

● 补料控制

发酵期间，由于菌体发育生长需要消耗大量的基质，而基质浓度过高或过低，均影响到产物的合成。因此在菌体生长期间必须保持一定的基质浓度，以维持最大的转化速率。本方案通过控制补料量来控制发酵罐中的基质浓度，以获得最佳补料曲线，补料量由分析尾气中O2和CO2含量动态修正。赖氨酸发酵过程的发酵罐控制结构如图3。

图3：发酵罐的控制结构

系统效益分析

本系统自从在发酵装置投运以来，运行平稳，效果显著，装置的仪表三率，操作平稳率，单罐产量，产品质量等都大大提高；工人劳动强度，原料消耗率等都有大幅度降低，同时也确保了装置的平稳安全运行。直接提高了企业的市场竞争能力，为企业带来了明显的经济效益。主要控制指标如下：发酵罐温度±0.2℃；PH值±0.05；罐压±0.005MPa；基质浓度不超过5%。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/24/2005)


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