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發酵罐的發展曆程
發酵罐的控製係統主要是通過控製熱工和生化參數,從而達到控製整個發酵罐的工藝參數的目的。發酵罐的控製係統大致經曆了儀表控製、儀表+PLC控製(早期的邏輯控製)、PLC控製及其組成的DCS(分散)控製的發展過程。在整個發酵罐的工藝控製中,可分為模擬量控製、開關量控製及各參數的關聯控製。發酵罐的控製參數可分為溫度、壓力、流量、攪拌轉速、液位、pH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。
發酵罐從碳鋼製造到不鏽鋼製造的變化進程中,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,並且將一次性袋子固定在容器中以外,其他控製部件的形式均與原來相同。
發酵控製的DCS係統除了采集、顯示下位機的所有數據外,還能夠修改和控製參數對象。早期發酵罐控製係統采用數據采集器,將模擬量信號分別采集,在模塊中進行模數轉換後,用計算機的232接口與上位機通訊。後期發酵罐控製係統是采用PLC與上位機通訊的方式,有的控製器上還采用SCADA係統,可以對現場的運行設備進行監視和控製,以實現數據采集、設備控製、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製係統中,可實時監控現場的環境參數和各執行部件的控製狀態,能夠滿足不同的工藝要求,大大提高了係統的可靠性和靈活性。
發酵罐工藝參數的控製要點
1.1 、罐溫控製
1.1.1 參數作用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係。
1.1.2 罐溫控製罐溫控製主要包括控製加熱量與冷卻量。其中,加熱量是由工藝計算而得;冷卻量是指在加熱或滅菌後,且在規定的冷卻時間下所需要的冷量。罐溫控製裝置由一個加熱器和冷卻水電磁閥組成,當發酵罐內溫度低於(或高於)某個設定值時,係統將自動開啟加熱器(或冷卻水電磁閥),以達到控製發酵罐溫度的目的。
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,得出換熱麵積,也就是發酵罐的夾套或盤管的麵積。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,進而確定控製閥的通徑,控製閥通徑是以培養溫度的控製波動量為主要參數。若以培養溫度的控製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,那麽取值可以低些,此時培養溫度控製波動量就會大些。
在帶冷熱夾套的溫度控製係統中,如果上述工藝參數計算取值恰當,則參數控製相對精確,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製中,采用PID自動控製,其培養溫度的波動控製範圍在±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製產生影響。當然,換熱夾套的設計要盡可能薄,以減少溫控滯後所帶來的波動。
1.1.3 滅菌控製按照工藝與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。在滅菌溫度控製中,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,但對所滅菌係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。在滅菌溫度控製中,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後才正式計時,以滿足濕熱滅菌的F0值要求。
1.2 壓力控製
1.2.1 參數作用發酵罐維持正壓既可以杜絕由於罐壓為零時造成的染菌,還可增加氧在培養液中的溶解度,有利於菌的生長及合成。1.2.2 壓力控製發酵罐罐體和管路在發酵過程中都需一定的壓力控製。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淨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製參數,這時的壓力是用進氣閥控製。
1.3 空氣流量、攪拌轉速控製
1.3.1 參數作用空氣流量作用: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。
1.3.2 空氣流量、攪拌轉速控製發酵過程中,發酵罐的壓力一般可以保持恒定,製約溶解氧濃度的因素有兩個,即空氣流量與攪拌轉速。
1.3.3 DO值標定發酵液的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 ℃後,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。
1.4 pH值控製
1.4.1 參數作用發酵液的pH值是發酵過程中各種生化反應的酸堿性的綜合反映。
1.4.2 pH值控製pH值補料形式有流加、滴加兩種,pH值控製與補料係統主要由蠕動泵(或其他輸送係統)及稱重係統組成。除稱重係統外,這些控製係統受罐間的壓差影響較大,其中還有液位引起的壓力變化,稱重係統還受液麵波動的影響,所以要視罐的大小、徑高比和使用情況綜合考慮。目前,pH控製裝置由一個加酸蠕動泵和一個加堿蠕動泵組成。當pH值高於設定值時,係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pH小於設定值時,則啟動加堿蠕動泵進行調節。
1.5 其他參數
排氣O2和排氣CO2是判斷微生物複蘇及呼氣狀況的指標,往往與攪拌轉速等供氧情況關聯控製。電導率是控製CIP清洗液濃度的指標和水洗後NaOH殘餘量的指標。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。

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