Применение технологии автоматического управления в биоферментации
2020-07-01
Характеристики параметров биологической ферментационной реакции разнообразны. Они изменяются не только со временем, но и в зависимости от метаболизма микрофлоры. Одновременно изменяется и закономерность процесса, поэтому это нелинейная система. Изначально лабораторный анализ выполнялся путем ручного отбора проб для получения данных о параметрических переменных ферментационной системы, что позволяло контролировать весь процесс ферментации. Хотя такой низкоавтоматизированный способ работы снижает первоначальные затраты на оборудование, при эксплуатации он сталкивается с рядом проблем: ростом затрат на труд, высоким расходом сырья и энергии, низкой загрузкой оборудования, задержкой обратной связи по параметрам, ошибками персонала и нестабильным выходом продукции.
В условиях все более жесткой рыночной конкуренции все больше компаний ищут способы улучшить производственный процесс, например внедрение автоматических систем управления в процесс ферментации, использование испытательных технологий, сенсорных технологий и технологий нечёткого прогнозного управления для цифрового контроля температуры, давления в резервуаре, pH, растворенного кислорода, расхода воздуха, подачи среды, пены, скорости перемешивания и индикации ошибок двигателя. Это не только экономит значительные трудовые ресурсы, но и повышает эффективность производства и качество продукции.
В условиях все более жесткой рыночной конкуренции все больше компаний ищут способы улучшить производственный процесс, например внедрение автоматических систем управления в процесс ферментации, использование испытательных технологий, сенсорных технологий и технологий нечёткого прогнозного управления для цифрового контроля температуры, давления в резервуаре, pH, растворенного кислорода, расхода воздуха, подачи среды, пены, скорости перемешивания и индикации ошибок двигателя. Это не только экономит значительные трудовые ресурсы, но и повышает эффективность производства и качество продукции.
Введение в автоматическую систему управления ферментацией
Параметры ферментации — это физиолого-биохимические характеристики процесса ферментации и используемых штаммов, а также основа, на которой осуществляется управление процессом ферментации. Ключом к автоматическому управлению в процессе ферментации являются датчики, измеряющие различные параметры. Изменения параметров процесса, регистрируемые датчиками, преобразуются преобразователем из неэлектрического сигнала в стандартный электрический сигнал. Затем они отображаются, записываются или передаются в компьютер для обработки с помощью измерительного прибора.
Система автоматического управления ферментацией включает три части: чувствительный элемент, управляющую часть и исполнительный элемент.
1. Чувствительный элемент
Существует несколько методов классификации датчиков. По способу измерения их можно разделить на офлайн-датчики и онлайн-датчики; по принципу измерения — на датчики на основе силочувствительных, тепловых, светочувствительных, магниточувствительных, электрохимических элементов и биосенсоры. Поскольку электрические сигналы легко передавать, большинство датчиков выдают электрические сигналы, такие как напряжение, ток, сопротивление, индуктивность, емкость и частота.
2. Управляющая часть
Основная функция управляющей части — сравнивать различные параметрические сигналы, полученные чувствительными элементами, с заданными значениями и одновременно выдавать управляющие сигналы на исполнительный механизм для регулирования. Обычно используются дискретное и аналоговое управление. Дискретное управление относится к двум состояниям — включено и выключено — и обозначается 0 и 1, то есть состоянием вкл. или выкл. Например, в управлении процессом ферментации дискретное управление может контролировать только открытие и закрытие клапанов. Аналоговое управление — это управление, которое позволяет контролировать не только открытие и закрытие клапанов, но и степень их открытия в процессе ферментации, выполняя тем самым регулирующую функцию.
3. Исполнительный элемент
Исполнительный элемент — это элемент, который непосредственно выполняет управляющее воздействие, например электромагнитный клапан, пневматический регулирующий клапан, электрический регулирующий клапан, редуктор, перистальтический насос и т. д. Он отражает сигнал, выдаваемый контроллером, или переменную управления, изменяемую в результате ручного вмешательства оператора. Исполнительный механизм может работать непрерывно или прерывисто.
При завершении регулирования температуры ферментации всегда присутствует явление гистерезиса. Своевременное и корректное управление часто требует опыта и навыков инженеров.
2. Давление в резервуаре
Существует множество типов датчиков давления, включая тензорезистивные, пьезорезистивные, индуктивные и емкостные. Наиболее широко используется пьезорезистивный датчик давления, который отличается высокой точностью, хорошей линейностью и умеренной ценой. Преобразователь давления превращает давление в ферментационном резервуаре в электрический сигнал для передачи в систему управления. Обычно метод регулирования давления заключается в изменении расхода подачи воздуха или вытеснения воздуха, чтобы поддерживать требуемое давление в процессе ферментации.
3. Скорость перемешивания
Скорость перемешивания можно измерять с помощью магнитно-индукционного измерителя скорости, фотоиндукционного измерителя скорости или тахогенератора.
4. Расход воздуха и расход распыления жидкости
Контроль расхода обычно включает использование металлического поплавкового расходомера, электромагнитного расходомера, вихревого расходомера и т. д.
Металлический поплавковый расходомер должен быть установлен вертикально, а поток направлен снизу вверх. Когда через него проходит материал или воздух, по обе стороны поплавка возникает разность давлений, которая вызывает его всплытие вверх. По мере изменения расхода изменяется и положение плавающего ротора, что приводит к изменению емкости или сопротивления, преобразуемому в электрический сигнал. После усиления пусковой контроллер может обеспечить автоматизацию регулирования расхода.
Электромагнитный расходомер использует принцип пересечения потоком жидкости магнитного поля с образованием индуцированной электродвижущей силы для измерения расхода и может применяться для контроля расхода проводящих жидкостей (например, циркуляционной воды и т. д.).
Вихревой расходомер, основной принцип работы которого основан на дорожке вихрей Кармана, использует зависимость между частотой отделения вихрей и расходом для его измерения. Вихревой расходомер может применяться для измерения расхода как проводящих, так и непроводящих жидкостей, поэтому область его применения очень широка. Его можно использовать для измерения пара, воздуха и чистой воды.
5. Объем, масса и пена
Для измерения объема обычно применяют метод дифференциального давления, при котором объем подаваемой жидкости и уровень жидкости можно рассчитать по разности давления между двумя или тремя точками в верхней и нижней части ферментационного резервуара. Для контроля объема в резервуаре обычно устанавливают датчик дифференциального давления.
Кроме того, для определения массы материала в резервуаре можно использовать весовой датчик. Весовой датчик часто применяется на участке дозирования в ферментации.
Для определения пены обычно используют метод электродного зонда. Когда пена поднимается и достигает датчика, генерируется электрический сигнал, затем он передается обратно, подается сигнал тревоги и добавляется пеногаситель.
6. pH
Для измерения pH обычно используют комбинированный pH-электрод. Такой электрод имеет компактную конструкцию и может стерилизоваться паром. Принцип его работы заключается в том, что при погружении в раствор вместе со стеклянным и эталонным электродами возникает определенная ЭДС. Преобразователь pH подключается к управляющей части, а автоматический клапан или перистальтический насос управляется через контурную систему для регулирования значения pH.
7. Растворенный кислород
В настоящее время в связи со своими особенностями в ферментационной промышленности для обозначения растворенного кислорода используют метод выражения насыщения воздухом в процентах. Перед инокуляцией моделируют условия нормального культивирования (перемешивание, температуру, давление в резервуаре, аэрацию) и проводят полную калибровку. В этот момент растворенный кислород принимается за 100 %, и после настройки до конца ферментации он не корректируется. Поэтому данные, отображаемые электродом растворенного кислорода в процессе ферментации, фактически представляют собой процент содержания растворенного кислорода во время калибровки.
Обычно в процессе глубинной ферментации концентрация растворенного кислорода зависит от скорости поступления кислорода в культуральную среду и скорости его потребления биологическими клетками. Основными факторами, влияющими на скорость поступления кислорода в среду, являются скорость перемешивания, расход воздуха и давление в резервуаре. В зависимости от технологии ферментации способы регулирования растворенного кислорода также различаются. Сначала можно отрегулировать скорость перемешивания, а затем расход воздуха и давление в резервуаре, либо регулировать только один из этих параметров.
Параметры ферментации — это физиолого-биохимические характеристики процесса ферментации и используемых штаммов, а также основа, на которой осуществляется управление процессом ферментации. Ключом к автоматическому управлению в процессе ферментации являются датчики, измеряющие различные параметры. Изменения параметров процесса, регистрируемые датчиками, преобразуются преобразователем из неэлектрического сигнала в стандартный электрический сигнал. Затем они отображаются, записываются или передаются в компьютер для обработки с помощью измерительного прибора.
Система автоматического управления ферментацией включает три части: чувствительный элемент, управляющую часть и исполнительный элемент.
1. Чувствительный элемент
Существует несколько методов классификации датчиков. По способу измерения их можно разделить на офлайн-датчики и онлайн-датчики; по принципу измерения — на датчики на основе силочувствительных, тепловых, светочувствительных, магниточувствительных, электрохимических элементов и биосенсоры. Поскольку электрические сигналы легко передавать, большинство датчиков выдают электрические сигналы, такие как напряжение, ток, сопротивление, индуктивность, емкость и частота.
2. Управляющая часть
Основная функция управляющей части — сравнивать различные параметрические сигналы, полученные чувствительными элементами, с заданными значениями и одновременно выдавать управляющие сигналы на исполнительный механизм для регулирования. Обычно используются дискретное и аналоговое управление. Дискретное управление относится к двум состояниям — включено и выключено — и обозначается 0 и 1, то есть состоянием вкл. или выкл. Например, в управлении процессом ферментации дискретное управление может контролировать только открытие и закрытие клапанов. Аналоговое управление — это управление, которое позволяет контролировать не только открытие и закрытие клапанов, но и степень их открытия в процессе ферментации, выполняя тем самым регулирующую функцию.
3. Исполнительный элемент
Исполнительный элемент — это элемент, который непосредственно выполняет управляющее воздействие, например электромагнитный клапан, пневматический регулирующий клапан, электрический регулирующий клапан, редуктор, перистальтический насос и т. д. Он отражает сигнал, выдаваемый контроллером, или переменную управления, изменяемую в результате ручного вмешательства оператора. Исполнительный механизм может работать непрерывно или прерывисто.
В зависимости от типа привода исполнительные механизмы можно разделить на пневматические, электрические и гидравлические. Наиболее часто в ферментации используются пневматический мембранный регулирующий клапан, пневматический шаровой клапан, пневматический угловой клапан, электромагнитный клапан и т. д.
Обнаружение и управление традиционными параметрами в процессе ферментации
1.Температура
В процессе ферментации для контроля температуры обычно используют термометр сопротивления. Измерение температуры сопротивлением основано на том, что сопротивление металлических проводников или полупроводников изменяется с температурой, а изменение сопротивления преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал через контрольно-измерительный прибор и различные переключатели или контуры управления передает команды исполнительному механизму. Таким образом можно включать (или выключать) охлаждающее (нагревательное) устройство, чтобы поддерживать постоянную температуру в резервуаре и обеспечить автоматическое регулирование температуры.При завершении регулирования температуры ферментации всегда присутствует явление гистерезиса. Своевременное и корректное управление часто требует опыта и навыков инженеров.
2. Давление в резервуаре
Существует множество типов датчиков давления, включая тензорезистивные, пьезорезистивные, индуктивные и емкостные. Наиболее широко используется пьезорезистивный датчик давления, который отличается высокой точностью, хорошей линейностью и умеренной ценой. Преобразователь давления превращает давление в ферментационном резервуаре в электрический сигнал для передачи в систему управления. Обычно метод регулирования давления заключается в изменении расхода подачи воздуха или вытеснения воздуха, чтобы поддерживать требуемое давление в процессе ферментации.
3. Скорость перемешивания
Скорость перемешивания можно измерять с помощью магнитно-индукционного измерителя скорости, фотоиндукционного измерителя скорости или тахогенератора.
4. Расход воздуха и расход распыления жидкости
Контроль расхода обычно включает использование металлического поплавкового расходомера, электромагнитного расходомера, вихревого расходомера и т. д.
Металлический поплавковый расходомер должен быть установлен вертикально, а поток направлен снизу вверх. Когда через него проходит материал или воздух, по обе стороны поплавка возникает разность давлений, которая вызывает его всплытие вверх. По мере изменения расхода изменяется и положение плавающего ротора, что приводит к изменению емкости или сопротивления, преобразуемому в электрический сигнал. После усиления пусковой контроллер может обеспечить автоматизацию регулирования расхода.
Электромагнитный расходомер использует принцип пересечения потоком жидкости магнитного поля с образованием индуцированной электродвижущей силы для измерения расхода и может применяться для контроля расхода проводящих жидкостей (например, циркуляционной воды и т. д.).
Вихревой расходомер, основной принцип работы которого основан на дорожке вихрей Кармана, использует зависимость между частотой отделения вихрей и расходом для его измерения. Вихревой расходомер может применяться для измерения расхода как проводящих, так и непроводящих жидкостей, поэтому область его применения очень широка. Его можно использовать для измерения пара, воздуха и чистой воды.
5. Объем, масса и пена
Для измерения объема обычно применяют метод дифференциального давления, при котором объем подаваемой жидкости и уровень жидкости можно рассчитать по разности давления между двумя или тремя точками в верхней и нижней части ферментационного резервуара. Для контроля объема в резервуаре обычно устанавливают датчик дифференциального давления.
Кроме того, для определения массы материала в резервуаре можно использовать весовой датчик. Весовой датчик часто применяется на участке дозирования в ферментации.
Для определения пены обычно используют метод электродного зонда. Когда пена поднимается и достигает датчика, генерируется электрический сигнал, затем он передается обратно, подается сигнал тревоги и добавляется пеногаситель.
6. pH
Для измерения pH обычно используют комбинированный pH-электрод. Такой электрод имеет компактную конструкцию и может стерилизоваться паром. Принцип его работы заключается в том, что при погружении в раствор вместе со стеклянным и эталонным электродами возникает определенная ЭДС. Преобразователь pH подключается к управляющей части, а автоматический клапан или перистальтический насос управляется через контурную систему для регулирования значения pH.
7. Растворенный кислород
В настоящее время в связи со своими особенностями в ферментационной промышленности для обозначения растворенного кислорода используют метод выражения насыщения воздухом в процентах. Перед инокуляцией моделируют условия нормального культивирования (перемешивание, температуру, давление в резервуаре, аэрацию) и проводят полную калибровку. В этот момент растворенный кислород принимается за 100 %, и после настройки до конца ферментации он не корректируется. Поэтому данные, отображаемые электродом растворенного кислорода в процессе ферментации, фактически представляют собой процент содержания растворенного кислорода во время калибровки.
Обычно в процессе глубинной ферментации концентрация растворенного кислорода зависит от скорости поступления кислорода в культуральную среду и скорости его потребления биологическими клетками. Основными факторами, влияющими на скорость поступления кислорода в среду, являются скорость перемешивания, расход воздуха и давление в резервуаре. В зависимости от технологии ферментации способы регулирования растворенного кислорода также различаются. Сначала можно отрегулировать скорость перемешивания, а затем расход воздуха и давление в резервуаре, либо регулировать только один из этих параметров.
Характеристики распределенной системы автоматического управления DCS для ферментации Shanghai Beyond
Распределенная система управления DCS для ферментации Shanghai Beyond включает управляющее ядро, состоящее из программируемого контроллера PLC, в том числе платы PLC и операционного компьютера (или человеко-машинного интерфейса). Она отличается централизованным управлением и распределенным контролем. Расчетное управление и сбор данных ферментации полностью выполняются контроллером PLC, а весь процесс ферментации отслеживается в реальном времени через операционный компьютер (или человеко-машинный интерфейс) для организации записанных данных. Система управления PLC обладает высоким соотношением цены и производительности и хорошей стабильностью, поэтому стала первым выбором в качестве ядра автоматического управления для малых и средних систем управления.
Распределенная система управления DCS для ферментации Shanghai Beyond включает управляющее ядро, состоящее из программируемого контроллера PLC, в том числе платы PLC и операционного компьютера (или человеко-машинного интерфейса). Она отличается централизованным управлением и распределенным контролем. Расчетное управление и сбор данных ферментации полностью выполняются контроллером PLC, а весь процесс ферментации отслеживается в реальном времени через операционный компьютер (или человеко-машинный интерфейс) для организации записанных данных. Система управления PLC обладает высоким соотношением цены и производительности и хорошей стабильностью, поэтому стала первым выбором в качестве ядра автоматического управления для малых и средних систем управления.
Вся система состоит из хост-компьютера/полевого сенсорного экрана, человеко-машинного интерфейса, PLC, полевого контроллера измерения, полевого индикаторного прибора и т. д., и связывается через промышленную шину с Ethernet.
Система ПЛК в основном выполняет сбор и управление всеми контролируемыми параметрами системы и передает данные на хост-компьютер по линии передачи данных. Программное обеспечение хост-компьютера обеспечивает функции отображения данных системы в реальном времени, их записи, настройки параметров и обработки исторических данных.
Хост-компьютер может быть подключен через Интернет. При наличии авторизации любой оператор с сетевым подключением может управлять системой.
Система ПЛК в основном выполняет сбор и управление всеми контролируемыми параметрами системы и передает данные на хост-компьютер по линии передачи данных. Программное обеспечение хост-компьютера обеспечивает функции отображения данных системы в реальном времени, их записи, настройки параметров и обработки исторических данных.
Хост-компьютер может быть подключен через Интернет. При наличии авторизации любой оператор с сетевым подключением может управлять системой.
На этом все, что мы сегодня рассказали о применении технологии автоматического управления в биоферментации. Если у вас есть вопросы или запросы, пожалуйста, свяжитесь с сервисным инженером Beyond.
