發(fā)酵罐知識(shí)
發(fā)酵罐控制系統(tǒng)的參數(shù)控制
時(shí)間：2022.10.25
發(fā)酵罐的控制系統(tǒng)主要是通過(guò)控制熱工和生化參數(shù)，從而達(dá)到控制整個(gè)發(fā)酵罐的工藝參數(shù)的目的。發(fā)酵罐的控制系統(tǒng)大致經(jīng)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(fā)展過(guò)程。在整個(gè)發(fā)酵罐的工藝控制中，可分為模擬量控制、開(kāi)關(guān)量控制及各參數(shù)的關(guān)聯(lián)控制。發(fā)酵罐的控制參數(shù)可分為溫度、壓力、流量、攪拌轉(zhuǎn)速、液位、pH值、溶氧量、排氣O2和排氣CO2、菌絲密度及CIP中的電導(dǎo)率等。
1、罐溫控制
參數(shù)作用罐溫會(huì)影響發(fā)酵過(guò)程中酶反應(yīng)的速率及氧在培養(yǎng)液中的溶解度，其與菌體生長(zhǎng)、抗生素合成及溶解氧都有密切關(guān)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(jì)算而得；冷卻量是指在加熱或滅菌后，且在規(guī)定的冷卻時(shí)間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個(gè)加熱器和冷卻水電磁閥組成，當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)溫度低于（或高于）某個(gè)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)開(kāi)啟加熱器（或冷卻水電磁閥），以達(dá)到控制發(fā)酵罐溫度的目的。
通過(guò)計(jì)算在規(guī)定的冷卻時(shí)間下所需的冷量得出冷卻量，通過(guò)計(jì)算在規(guī)定的加熱時(shí)間下所需的熱量得出加熱量。通過(guò)焓值計(jì)算和換熱速率，得出換熱面積，也就是發(fā)酵罐的夾套或盤(pán)管的面積。通過(guò)對(duì)管路長(zhǎng)度、介質(zhì)壓力及壓力損失的計(jì)算，才能確定換熱管的管徑，進(jìn)而確定控制閥的通徑，控制閥通徑是以培養(yǎng)溫度的控制波動(dòng)量為主要參數(shù)。若以培養(yǎng)溫度的控制波動(dòng)量為參數(shù)來(lái)計(jì)算，往往可設(shè)定60%～80%的開(kāi)度為穩(wěn)定值；若要兼顧滅菌升溫時(shí)間，那么取值可以低些，此時(shí)培養(yǎng)溫度控制波動(dòng)量就會(huì)大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統(tǒng)中，如果上述工藝參數(shù)計(jì)算取值恰當(dāng)，則參數(shù)控制相對(duì)精確，其中工藝參數(shù)可采用飛升曲線計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)法等方法獲得。在兼顧培養(yǎng)和滅菌的罐溫控制中，采用PID自動(dòng)控制，其培養(yǎng)溫度的波動(dòng)控制范圍在±0.1 ℃。其中，微分作用能提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，積分作用能有效消除靜態(tài)誤差，使環(huán)境溫度不對(duì)罐溫控制產(chǎn)生影響。當(dāng)然，換熱夾套的設(shè)計(jì)要盡可能薄，以減少溫控滯后所帶來(lái)的波動(dòng)。
滅菌控制按照工藝與GMP要求，對(duì)發(fā)酵設(shè)備應(yīng)當(dāng)進(jìn)行清潔、消毒或滅菌。發(fā)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(jìn)的發(fā)酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來(lái)替代傳統(tǒng)的疏水閥，但對(duì)所滅菌系統(tǒng)與蒸汽管路及閥門(mén)通徑的設(shè)計(jì)有一定要求。在滅菌程序設(shè)計(jì)中，通蒸汽時(shí)間和疏水時(shí)間間隔應(yīng)相匹配，在疏水隔膜閥打開(kāi)的瞬間，其罐體壓力幾乎不變，且冷凝水被有效疏掉，此過(guò)程沒(méi)有冷點(diǎn)出現(xiàn)。在滅菌溫度控制中，應(yīng)考慮升溫曲線中的溫度波動(dòng)周期，一般設(shè)定為到達(dá)設(shè)定溫度的1min后才正式計(jì)時(shí)，以滿(mǎn)足濕熱滅菌的F0值要求。
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(jì)算而得；冷卻量是指在加熱或滅菌后，且在規(guī)定的冷卻時(shí)間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個(gè)加熱器和冷卻水電磁閥組成，當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)溫度低于（或高于）某個(gè)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)開(kāi)啟加熱器（或冷卻水電磁閥），以達(dá)到控制發(fā)酵罐溫度的目的。
通過(guò)計(jì)算在規(guī)定的冷卻時(shí)間下所需的冷量得出冷卻量，通過(guò)計(jì)算在規(guī)定的加熱時(shí)間下所需的熱量得出加熱量。通過(guò)焓值計(jì)算和換熱速率，得出換熱面積，也就是發(fā)酵罐的夾套或盤(pán)管的面積。通過(guò)對(duì)管路長(zhǎng)度、介質(zhì)壓力及壓力損失的計(jì)算，才能確定換熱管的管徑，進(jìn)而確定控制閥的通徑，控制閥通徑是以培養(yǎng)溫度的控制波動(dòng)量為主要參數(shù)。若以培養(yǎng)溫度的控制波動(dòng)量為參數(shù)來(lái)計(jì)算，往往可設(shè)定60%～80%的開(kāi)度為穩(wěn)定值；若要兼顧滅菌升溫時(shí)間，那么取值可以低些，此時(shí)培養(yǎng)溫度控制波動(dòng)量就會(huì)大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統(tǒng)中，如果上述工藝參數(shù)計(jì)算取值恰當(dāng)，則參數(shù)控制相對(duì)精確，其中工藝參數(shù)可采用飛升曲線計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)法等方法獲得。在兼顧培養(yǎng)和滅菌的罐溫控制中，采用PID自動(dòng)控制，其培養(yǎng)溫度的波動(dòng)控制范圍在±0.1 ℃。其中，微分作用能提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，積分作用能有效消除靜態(tài)誤差，使環(huán)境溫度不對(duì)罐溫控制產(chǎn)生影響。當(dāng)然，換熱夾套的設(shè)計(jì)要盡可能薄，以減少溫控滯后所帶來(lái)的波動(dòng)。
滅菌控制按照工藝與GMP要求，對(duì)發(fā)酵設(shè)備應(yīng)當(dāng)進(jìn)行清潔、消毒或滅菌。發(fā)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(jìn)的發(fā)酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來(lái)替代傳統(tǒng)的疏水閥，但對(duì)所滅菌系統(tǒng)與蒸汽管路及閥門(mén)通徑的設(shè)計(jì)有一定要求。在滅菌程序設(shè)計(jì)中，通蒸汽時(shí)間和疏水時(shí)間間隔應(yīng)相匹配，在疏水隔膜閥打開(kāi)的瞬間，其罐體壓力幾乎不變，且冷凝水被有效疏掉，此過(guò)程沒(méi)有冷點(diǎn)出現(xiàn)。在滅菌溫度控制中，應(yīng)考慮升溫曲線中的溫度波動(dòng)周期，一般設(shè)定為到達(dá)設(shè)定溫度的1min后才正式計(jì)時(shí)，以滿(mǎn)足濕熱滅菌的F0值要求。
2、壓力控制
參數(shù)作用發(fā)酵罐維持正壓既可以杜絕由于罐壓為零時(shí)造成的染菌，還可增加氧在培養(yǎng)液中的溶解度，有利于菌的生長(zhǎng)及合成。
壓力控制發(fā)酵罐罐體和管路在發(fā)酵過(guò)程中都需一定的壓力控制。在發(fā)酵培養(yǎng)期間，罐內(nèi)壓力基本可以保持恒定。然而，在滅菌降溫的過(guò)程中，為避免負(fù)壓吸入環(huán)境的非潔凈空氣以及負(fù)壓可能將罐體吸癟情況的發(fā)生，需要通入一定的空氣保壓。其中，降溫過(guò)程中的壓力影響是非控制參數(shù)，這時(shí)的壓力是用進(jìn)氣閥控制。
壓力控制發(fā)酵罐罐體和管路在發(fā)酵過(guò)程中都需一定的壓力控制。在發(fā)酵培養(yǎng)期間，罐內(nèi)壓力基本可以保持恒定。然而，在滅菌降溫的過(guò)程中，為避免負(fù)壓吸入環(huán)境的非潔凈空氣以及負(fù)壓可能將罐體吸癟情況的發(fā)生，需要通入一定的空氣保壓。其中，降溫過(guò)程中的壓力影響是非控制參數(shù)，這時(shí)的壓力是用進(jìn)氣閥控制。
3、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速控制
參數(shù)作用空氣流量作用：空氣是給好氣菌供氧的重要來(lái)源。攪拌轉(zhuǎn)速作用：提高攪拌轉(zhuǎn)速可以增加氧的溶解速度。
空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速控制發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)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(gè)，即空氣流量與攪拌轉(zhuǎn)速。
DO值標(biāo)定發(fā)酵液的DO值直接影響微生物的酶活性、代謝途徑及產(chǎn)物產(chǎn)量，因此DO值標(biāo)定十分重要。在滅菌升溫過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃后，DO電極零點(diǎn)的標(biāo)定值就是溶氧標(biāo)定的零點(diǎn)值；DO電極100%滿(mǎn)度值的標(biāo)定是指在正式發(fā)酵前，設(shè)定發(fā)酵初始溫度、攪拌轉(zhuǎn)速（最高）、通氣量和罐壓，以該初始狀態(tài)下的溶氧作為溶氧標(biāo)定。
空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速控制發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)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(gè)，即空氣流量與攪拌轉(zhuǎn)速。
DO值標(biāo)定發(fā)酵液的DO值直接影響微生物的酶活性、代謝途徑及產(chǎn)物產(chǎn)量，因此DO值標(biāo)定十分重要。在滅菌升溫過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃后，DO電極零點(diǎn)的標(biāo)定值就是溶氧標(biāo)定的零點(diǎn)值；DO電極100%滿(mǎn)度值的標(biāo)定是指在正式發(fā)酵前，設(shè)定發(fā)酵初始溫度、攪拌轉(zhuǎn)速（最高）、通氣量和罐壓，以該初始狀態(tài)下的溶氧作為溶氧標(biāo)定。
霍爾斯（HOLVES）研發(fā)設(shè)計(jì)的HF-Control第二代發(fā)酵控制系統(tǒng)，應(yīng)用了儀表盤(pán)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，用戶(hù)通過(guò)觀察動(dòng)態(tài)數(shù)字表盤(pán)對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)一目了然，可以非常準(zhǔn)確地掌握發(fā)酵罐的參數(shù)和狀態(tài)，從而做出快速后續(xù)操作，系統(tǒng)依附霍爾斯（HOLVES）獨(dú)有的專(zhuān)利技術(shù)，開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化功能模塊，更是將發(fā)酵工作帶入智能平臺(tái)，大大提升用戶(hù)的實(shí)驗(yàn)效率及時(shí)間成本。
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