发酵罐的控制系统主要是通过控制热工和生化参数, 从而达到控制整个发酵罐的工艺参数的目的。发酵罐的控制系统大致经历了仪表控制、仪表+PLC控制 (早期的逻辑控制) 、PLC控制及其组成的DCS (分散) 控制的发展过程。在整个发酵罐的工艺控制中, 可分为模拟量控制、开关量控制及各参数的关联控制。发酵罐的控制参数可分为温度、压力、流量、搅拌转速、液位、p H值、DO值 (溶氧量) 、排气O2和排气CO2、菌丝密度及CIP中的电导率等。

发酵罐从碳钢制造到不锈钢制造的变化进程中, 除了一次性发酵罐多采用磁力搅拌和部分部件采用一次性仪表, 通气管从上部移到了侧部, 并且将一次性袋子固定在容器中以外, 其他控制部件的形式均与原来相同。

发酵控制的DCS系统除了采集、显示下位机的所有数据外, 还能够修改和控制参数对象。早期发酵罐控制系统采用数据采集器, 将模拟量信号分别采集, 在模块中进行模数转换后, 用计算机的232接口与上位机通讯。后期发酵罐控制系统是采用PLC与上位机通讯的方式, 有的控制器上还采用SCADA系统, 可以对现场的运行设备进行监视和控制, 以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及实现各类信号报警等各项功能。此外, 还将PLC与通用监控软件MCGS组态软件应用到发酵类生物反应器控制系统中, 可实时监控现场的环境参数和各执行部件的控制状态, 能够满足不同的工艺要求, 大大提高了系统的可靠性和灵活性。

罐温会影响发酵过程中酶反应的速率及氧在培养液中的溶解度, 其与菌体生长、抗生素合成及溶解氧都有密切关系。

罐温控制主要包括控制加热量与冷却量。其中, 加热量是由工艺计算而得;冷却量是指在加热或灭菌后, 且在规定的冷却时间下所需要的冷量。罐温控制装置由一个加热器和冷却水电磁阀组成, 当发酵罐内温度低于 (或高于) 某个设定值时, 系统将自动开启加热器 (或冷却水电磁阀) , 以达到控制发酵罐温度的目的。

通过计算在规定的冷却时间下所需的冷量得出冷却量, 通过计算在规定的加热时间下所需的热量得出加热量。通过焓值计算和换热速率, 得出换热面积, 也就是发酵罐的夹套或盘管的面积。通过对管路长度、介质压力及压力损失的计算, 才能确定换热管的管径, 进而确定控制阀的通径, 控制阀通径是以培养温度的控制波动量为主要参数。若以培养温度的控制波动量为参数来计算, 往往可设定60%~80%的开度为稳定值;若要兼顾灭菌升温时间, 那么取值可以低些, 此时培养温度控制波动量就会大些。

在带冷热夹套的温度控制系统中, 如果上述工艺参数计算取值恰当, 则参数控制相对精确, 其中工艺参数可采用飞升曲线计算或经验法等方法获得。

在兼顾培养和灭菌的罐温控制中, 采用PID自动控制, 其培养温度的波动控制范围在±0.1℃。其中, 微分作用能提高动态响应速度, 积分作用能有效消除静态误差, 使环境温度不对罐温控制产生影响。当然, 换热夹套的设计要尽可能薄, 以减少温控滞后所带来的波动。

按照工艺与GMP要求, 对发酵设备应当进行清洁、消毒或灭菌。发酵罐通常采用的灭菌方法是湿热灭菌。

在灭菌温度控制中, 先进的发酵罐的管路中往往用疏水隔膜阀来替代传统的疏水阀, 但对所灭菌系统与蒸汽管路及阀门通径的设计有一定要求。在灭菌程序设计中, 通蒸汽时间和疏水时间间隔应相匹配, 在疏水隔膜阀打开的瞬间, 其罐体压力几乎不变, 且冷凝水被有效疏掉, 此过程没有冷点出现。

在灭菌温度控制中, 应考虑升温曲线中的温度波动周期, 一般设定为到达设定温度的1 min后才正式计时, 以满足湿热灭菌的F0值要求。

发酵罐维持正压既可以杜绝由于罐压为零时造成的染菌, 还可增加氧在培养液中的溶解度, 有利于菌的生长及合成。

发酵罐罐体和管路在发酵过程中都需一定的压力控制。在发酵培养期间, 罐内压力基本可以保持恒定。然而, 在灭菌降温的过程中, 为避免负压吸入环境的非洁净空气以及负压可能将罐体吸瘪情况的发生, 需要通入一定的空气保压。其中, 降温过程中的压力影响是非控制参数, 这时的压力是用进气阀控制。

空气流量作用:空气是给好气菌供氧的重要来源。

搅拌转速作用:提高搅拌转速可以增加氧的溶解速度。

发酵过程中, 发酵罐的压力一般可以保持恒定, 制约溶解氧浓度的因素有两个, 即空气流量与搅拌转速。

在培养过程中, 罐体需要一定的空气流量, 这时流量用进气阀控制, 压力用排气阀控制。空气流量控制设备由空气压缩机、压力表、浮子式流量计组成, 通过手动调节空气压缩机的进气量, 以流量计计算空气流量, 用压缩机以一定的压力将空气打入发酵罐内, 取得了良好的控制效果。

在细胞高密度培养中, 要控制空气和氧气两种流量, 流量控制装置中有混合的总流量和分别通入的不同流量, 混合过程中只有考虑两者的压力平衡, 才能进行有效的流量控制, 控制参数一般是DO值, 往往与搅拌转速一起进行关联控制。

在线清洗过程中的空气流量开关是控制气吹是否结束的检测装置。

在一般的发酵控制中, 搅拌转速可以单独控制, 也可以与DO联控。搅拌转速控制回路由转速检测元件、控制器、变频器、电机组成, 其中电机搅拌转速由变频器控制。例如, 用简单的单回路常规PID自动调节电机转速的方法进行DO控制。

在搅拌转速控制的同时, 还要关注桨叶形式、剪切力以及搅拌功率, 流量控制还要注意气泡的大小形式。

发酵液的DO值直接影响微生物的酶活性、代谢途径及产物产量, 因此DO值标定十分重要。在灭菌升温过程中, 当温度达到120℃后, DO电极零点的标定值就是溶氧标定的零点值;DO电极100%满度值的标定是指在正式发酵前, 设定发酵初始温度、搅拌转速 (最高) 、通气量和罐压, 以该初始状态下的溶氧作为溶氧标定。

发酵液的p H值是发酵过程中各种生化反应的酸碱性的综合反映。

p H值补料形式有流加、滴加两种, p H值控制与补料系统主要由蠕动泵 (或其他输送系统) 及称重系统组成。除称重系统外, 这些控制系统受罐间的压差影响较大, 其中还有液位引起的压力变化, 称重系统还受液面波动的影响, 所以要视罐的大小、径高比和使用情况综合考虑。目前, p H控制装置由一个加酸蠕动泵和一个加碱蠕动泵组成。当p H值高于设定值时, 系统自动启动加酸蠕动泵, 以时间比例方式向发酵罐通入酸液, 直至设定值;当p H小于设定值时, 则启动加碱蠕动泵进行调节。

排气O2和排气CO2是判断微生物复苏及呼气状况的指标, 往往与搅拌转速等供氧情况关联控制。

电导率是控制CIP清洗液浓度的指标和水洗后Na OH残余量的指标。

这两者都设有延时判断, 以保证所有环路的浓度最终达到清洗效果。

发酵罐首次使用及排空后使用要注意:夹套注满水, 检查浮球排气阀及其他排气管路装置的排气状态, 以保证夹套的高液位。否则, 易导致灭菌的升温时间滞后, 且升温不正常。灭菌升温不正常还与以下几方面有关:

(1) 进水阀是否正常, 是否堵塞;

(2) 疏水阀是否堵塞, 换热夹套高温高压时是否内漏, 升温时的内漏不一定伴有巨大撞击声, 只有在降温时才会出现这种现象。

平时还要关注并留意正常状态时灭菌不同阶段的罐内外温差和压差, 这样才能快速判断是冷热水阀、输水阀、换热夹套, 还是液位引起的故障。

温度的误差往往可能是由于温度计套管中缺少导热硅脂引起, 也可能是国产导热硅脂长时间干枯引起, 因此要定期维护保养发酵罐。

发酵罐要有一定数量的备品、备件, 并且罗列所有的器件作应急预案, 这样才能快速修复或处理生产中的异常状况。

如, 配备一个通用控制器来处理某一控制回路的异常状况, 用电阻箱解决压力变送器出现的故障时, 对机械压力表进行手动控制, 从而使生产程序正常进行, 用手动调压器控制气动控制阀的开度来进行应急控制等。

又如, 对于补料罐的磁力搅拌, 由于长期的灭菌高温和时间推移, 内部的永久磁铁渐渐失磁, 加上一般启动器的短时启动, 在启动和停止时内外磁铁会脱离吸合而不跟转, 而用变频器设置长时间爬坡启动可将磁力搅拌故障消除, 并大大延长了使用寿命。

再如, 某发酵罐的智能温度控制器采用一套PID参数来控制培养和灭菌温度, 并通过外部PLC信号切换, 在达到121℃灭菌温度时发出一个计时信号。了解了这些功能后, 可以采用4 000元的欧陆温控器替代数万元的上述控制器。

PLC控制器的故障相对比较少, 可以通过运行指示灯作初步判断, 一般只要程序在运行就基本可以认为核心器件无故障。问题可能出在开关量或模拟量输出上, 如笔者曾经遇到模拟量输出故障, 其电流输出不再是原先的4~20 m A, 而是在未知的一段时间内逐渐降到了0~8 m A, 同时在气动控制阀用久、行程阻力增加的双重作用下, 8 m A信号已经开启不了这个阀门, 才导致温度控制不佳, 如果阀门能有一定的开度, 在系统的积分作用下这个故障不一定出现。

在空压系统中, 二位三通电磁阀在长期的油污影响下, 会在挡板喷嘴处形成一定的粘连, 从而导致开启缓慢滞后或干脆打不开。因此, 二位三通电磁阀挡板喷嘴也要视空压机的情况进行定期清洁保养, 否则易造成系统异常。

本文从发酵罐的系统控制角度出发, 探讨了发酵罐罐温、压力、空气流量、搅拌转速、p H、电导率等工艺参数的控制要点, 并分析了发酵罐及其控制系统的若干使用问题。人们只有对发酵罐控制系统的结构、部件以及性能参数熟悉的前提下, 才能作出相应对策。同时, 要有日常巡检、保养和应急预案的准备, 这样才能最大程度地保障发酵罐无故障运行。