发酵类生物反应器参数在线监控技术

发酵类生物反应器参数在线监控技术

杨诚

身份证：321088198409156110，江苏扬州 225000

摘要：本文对发酵类生物反应器参数在线监控技术进行综述，以期为今后进一步研究发酵类生物反应器的工艺参数在线监控技术奠定基础。

关键词：发酵类；生物反应器；过程参数；在线监控

引言

应用计算机进行数据检测、在线分析和最优控制，已成为当前研究的热点。发酵类生物反应器参数在线监控系统利用多个传感器对发酵过程的温度、pH、溶氧量、搅拌速度进行在线监控，并利用PC技术与PLC的梯形程序对各个执行机构的操作进行实时的控制，实现对发酵过程的管控。另外，该系统在各个参量超出警戒值或泡沫过多的情况下，还具备实时预警功能，可以更直观地观察到发酵槽内各个参数的变化，使其更加精确、高效地监控发酵工艺，可为发酵行业的自动化控制提供借鉴。

1 发酵系统的组成

发酵系统包括发酵槽，空气处理，蒸汽净化，电气控制，恒温系统，管道和阀门。发酵槽是一个装有夹套的反应器，里面装有一个机械搅拌器，可以将反应器中的材料充分混合。在发酵槽的顶部，设有多条与温度传感器、压力传感器等不同传感器相连接的处理管路，还可以进行物料的加入。

2 发酵过程参数控制方法

2.1 温度控制

温度对微生物的生长和代谢活性有较大影响。通过调整夹套内的冷却水或加热水的流量，可以控制发酵液的温度。由于发酵过程中各阶段的发热速率和工艺模型的参数差异较大，难以准确地测量出冷却水的流量和温度之间的关系，因此建议采用分段设置的PID控制器。此外，由于发酵过程中温度差大，容易出现过度调节、积分饱和现象，因此，可以利用积分分离的PIDPID控制方法实现。PID控制是目前工业上使用最多的一种，它结构简单，稳定性好，可靠性高，但是其自适应能力差。在实际的发酵过程中，由于具有时变性、非线性、模型的不确定等因素，PID控制的效果较差，可以采用模糊控制。采用PID和模糊控制相结合的方法，将能够使其在反应速度、抗参量变化等方面具有较好的执行性。在温度偏差较小的情况下，PID控制器可以有效地改善系统的控制精度，同时还可以预先设定的误差范围，自动地将这两种方法进行转化。

2.2 pH值控制

发酵溶液的pH对微生物的生长、增殖及代谢产物的合成产生有重要的影响。环境的改变会使pH值出现波动，期间将可以采用酸碱中和法对PH值进行调整。在控制方式上，发酵液的pH值也是一个大滞后和大惯性的控制目标。梁斌提出一种前馈和反馈相结合的控制策略，在批量发酵过程中，将发酵液的pH设置为一定的数值，例如5，搅拌速度为120转/分钟。控制步骤如下：①对pH电极的输出电压进行检测，并将其转化为pH值；②将pH值与设置值进行对比，并求得差异；③添加氢氧化钠（pH差大于0.05）或氢氧化钠[pH差<-0.05]；④将①至③的程序重复10秒。pH控制原理图如图1所示：

图1 pH控制原理图

pH值和供料量由蠕动泵进行调节，其中一台用于补充培养液，另一台用于输送HCl和NaOH，用于调节发酵槽的pH值。

2.3 溶氧控制

溶解氧是发酵工艺的关键指标之一，需要对其进行严格的控制。影响溶氧的因素包括：通气量、罐压、微生物需氧量、搅拌转速等。通常的搅拌速度是固定的，取决于发酵过程。发酵过程中微生物需氧量的变化比较大，难以测定；通常，罐内压力应尽量保持平稳。所以，溶解氧的控制主要是通过调整通气量。由于溶氧存在较大的滞后特性，传统PID控制器容易出现振荡和过调。管国强等人采用以氧气溶解式控制器为主要控制器、以通气量控制器为辅助控制器的串联控制系统。溶解氧控制器的输出是决定通气量调整的基础，以实现控制通气量所需的通气量。

2.4 消泡控制

在发酵的初期，微生物的生长速度较快，当液体被装满的时候，搅拌机的转速已经达到最高，这时候，发酵液的上浮速度非常快，在此期间极有可能会出现漏液的情况。由此将需要及时添加消泡剂，以此有效地消除气泡，避免发酵液的上浮。去除泡沫的方法有较多，其中主要有机械消沫和化学消沫两种。机械消泡是通过机械的剧烈震动和改变气压而引起的气泡的物理效应。通常将消泡浆置于搅拌轴上部，但其效率较低，对粘稠的流态泡沫效果较差，因此，在发酵时加入消泡剂是必不可少的。消泡剂的控制一般是以液位为测量指标，在发酵液液面到达某一高度时，自动开启消泡剂阀；当水位下降至标准时，消泡剂阀门会自动关闭。在图2中可以看到在消泡控制中，由于反应速度缓慢，因此，在控制电路中添加时滞，从而避免添加过多的泡沫。

图2 消泡控制

2.5 自动补料控制

在半连续发酵期间，微生物的生长状态会发生变化，需要持续的养分供给，从而达到最佳的微生物代谢水平。由于不能实时监控微生物和代谢状态，因此较难进行补充。发酵工业的常规生产流程，是通过实验室的大量研究得到的补料轨，其可以用于指导工业生产，发酵工艺技术人员也可以通过离线化验室的测试数据对其进行调整。例如，补充速度根据排出气体的二氧化碳排放速度进行控制；有些采用化学平衡法调节补糖；还有一些方法是通过控制呼吸商来进行营养补充。还可以通过测定液体和液体的浓度来决定进料速率，并对供料量进行反馈控制。时至今日，如何对生物发酵工艺进行在线监控，并对中间添加物进行有效的控制，仍然是一个亟待解决的问题。

2.6 组分浓度的在线监控

利用高效液相色谱等方法，对工艺中的成分进行实时检测和反馈。该仪器是一种与发酵槽相连的高效液相色谱自动取样装置，它可以在线预处理发酵液中培养基和产品（葡萄糖、酒精）。Burkhard Horstkotte[介绍利用HPLC进行发酵工艺在线监控的方法。图3为自动取样设备、HPLC、电脑和控制仪表部件的在线监控和控制系统。

图3 包括自动取样设备、HPLC、电脑和控制仪表部件的在线监控和控制系统

发酵液定期取样，用0.5微米的滤管滤出样品中的细胞，然后用稀释后的滤液自动注入HPLC进行浓度测定。在连续补液发酵过程中，除了要调节pH值外，还应对发酵槽内基质（例如：葡萄糖）的浓度进行实时反馈控制。在连续补料发酵期间，若对葡萄糖浓度进行反馈控制，则根据联机HPLC测定的葡萄糖浓度与控制板上所设定的葡萄糖浓度曲线不同，还可以根据Rivera的产量预报模式确定进料流量。

为了有效控制进料的流速，可以将进料的投入模式设定为进料速度。为特别地描述投料速率的改变，还可以将发酵时间设定为每20分钟一个间隔。最优的投料模式可以对模型进行仿真和优化，并可设置成投料模式。不过，如果选择“反馈控制”这个分面版本，那么物料的流速就会根据软件的控制系统自动改变。例如由于测量和设置的葡萄糖浓度的差异，供给速度将会发生变化。

3 结论与展望

生物反应工程中的各项指标和控制指标随着时间的推移而不断地发生着变化，目前，微生物发酵工程的在线监控与反馈控制技术已经初见端倪，由于生物反应工艺的各项参数众多，如在线监控和反馈控制、组分在线分析、物料流量控制等技术的开发和应用，其主要包括：生物传感器的开发、仪表的建立和计算机系统的建立、数学模型的建立与实现、生物反应器的设计与开发、与工程的扩大与生产的控制等。发酵类生物反应器参数在线监控技术将在未来得到更加广阔的应用前景。

参考文献：

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[2]兰思杰.生物发酵过程中在线液体分析的整体解决方案[J].流程工业,2021(02):30-33.