新型微生物发酵补料方式

摘要：以发酵工程为核心内容的生物技术在不断发展。当前，借助微生物培养进行产品生产已涉及医药、食品、能源、环保等领域。随着科技的进步和工程施工方法的发展，发酵工程趋向设备大型化和高度自动化。规模化的生产对设备、仪表、和自控系统提出了更高的要求。原有的发酵过程补料控制系统已不能很好地满足要求，而随着仪表技术的发展和控制理念的更新新的补料方式已逐渐发展起来。

关键词：微生物发酵；计量杯式补料；流量计式补料

Abstract: fermentation engineering as the core content of biotechnology in development. At present, with the aid of microbial cultures for production has been involved in medicine, food, energy, environmental protection and other fields. With the progress of science and technology and the development of engineering construction method, fermentation engineering toward large and highly automated equipment. Large-scale production of equipment, instrumentation, and automatic control system put forward higher request. The original feed fermentation process control system has not well meet the requirements, and with the development of instrument technology and control theory of update new way of filling materials has been gradually developed.

Key words: microbial fermentation; Measuring cup type filling material; Flow meter type filling material

中图分类号：TQ920.6文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一、发酵过程中的补料需求及早期的计量杯式的补料方式

在抗生素发酵中期是菌丝代谢和分泌抗生素的旺盛期。到了发酵中后期，部分营养物消耗接近完毕，发酵液中的废料越来越多，菌体逐渐趋向衰老并自溶。通过补料措施，能够适当控制和掌握发酵条件，使生产菌在分泌阶段有足够而不过剩的养料，维持其正常的代谢活动和大量地分泌代谢产品。一般根据补充料的性质不同可分为补充碳元、氮元、无机盐、水、前体等。

早期的连续补料控制系统是计量杯式补料系统,其原理是把欲补充的营养剂按计量罐的容积，根据补料速率，换算成相应的时间，然后等间隔地加进发酵罐。例如:采用，2升计量罐，补料速率为200升/小时，则每小时要补进100罐(2升/罐×100罐=200升)。计算机控制把100罐营养剂在1小时内(3600秒)等间隔地加入发酵罐内，也就是每36秒钟加进一罐料。补料执行机构主要由入料阀、计量罐、液位电极、出料阀等组成 ,营养剂从入料、加满计量罐至出料的全过程称为一个补料动作。补料时，通过计算机输入补料率等参数，计算机将等间隔地把营养剂一罐一罐地加入发酵罐，从每罐加料的方式看是脉冲 ,而从长时间看则是流加 ,所以称之为流加补料。流加补料控制在很长一段时间内得到广泛的使用。

但是计量杯补料也有很多缺陷：（1）计量杯测量不标准实际存在误差。（2）由于补料管道的压力、检测电极的反应时间等影响实际每次上料的体积是不同的。两种误差的叠加效果每个发酵周期的补料误差累计值是很大的。其次就是计量杯补料系统结构复杂，并且为了系统消毒还要增加很多辅助设备，在操作上和经济成本并不低。

二、流量计式补料系统

早期的流量仪表由于测量精度达不到要求，不能耐高温消毒，价格昂贵等原因而没有在发酵补料系统中得到广泛的应用。但随着科技的进步和时代的发展，现在的流量仪表早已能够满足发酵过程中的各种要求。同时控制理念的更新也能很好地与流量计式补料系统得以很好的结合。

（1）流量计+隔膜调节阀：实现不断流均匀补料（针对速率高情况）

这种补料方式主要针对需要大剂量不间断的补料需求，例如补液糖，补水等。控制方式以闭环PID控制为主，操作人员通过设定瞬时流量或者设定补料总量和补料时间，系统将自动根据设定值和设定方式进行补料，并且能够得到精确的计量值。

（2）流量计+隔膜开关阀：实现分段式定量补料（针对速率低情况）

流量计+自控开关阀的补料方式计按控制策略可以分为两种，一种是与PH,DO，浊度等分析仪表进行闭环控制，例加碱，加氨等；另一种是按时间和数量进行的流加控制，例如补硫胺，补油等。

闭环控制一般采用PD控制，每隔一个扫描周期采样一次，与上次的数值进行对比，通过PD算法将补料量转换为开阀时间，进行PH控制。但是PD算法有一定的局限性，由于PD算法不是对系统进行连续采样计算，并且没有积分运算。所以解决系统反应滞后问题不是很理想，并且系统容易产生震荡。特别当罐体容量大时会更明显。通过采用PID控制算法，将PID输出的连续信号通过程序模块调整为合理宽度的脉冲信号，将连续信号的大小调整为脉冲信号的占空比，高电平开阀，低电平关阀。通过PID算法中的积分控制可以消除系统震荡，连续采样的微分控制可以更好的解决系统滞后的问题。

按时间流加的补料方式，由于开关阀的反应时间，仪表的测量误差等原因，每次加料与设定值都会产生一定的误差，长时间累积会产生不小的累积误差。需要高密度，小剂量的补料时更是如此。通过PLC程序将每次测量的实际减料量与设定量进行比较，将本次的误差累加到下次的设定量中进行补偿，依次往下传递，最终将累计误差控制在一个很小的范围内。

三、改进后补料方式的优点

使用该方法的连续控制系统，由于运行稳定、成本低，且解控制和计量精确。该连续补料方法的优点如下:

(1)执行机构采用气动不锈钢卫生级隔膜阀，其具有寿命长、耐高温消毒、无死角、动态响应快、对料液清洁度要求不高、对杂质不敏感等特点，解决了卡、漏、易染菌等问题。

(2)维护方便、维修费用低。

(3)因流量计式补料系统采用流量计加开关或调节阀控制，不像计量杯式补料系统需要复杂的辅助设施,这样简化了设备，减少了系统染菌的几率，同时降低了投资成本。

四、结束语

改进后的补料系统在一药厂运行良好，补料精确，减少了系统染菌的几率，同时降低了投资成本，得到了客户的一致好评！

［参考文献］：

[1].陈代杰，朱宝泉：工业微生物菌种选育与发酵控制技术. 上海科学技术文献出版社，1995

[2].刘志恒：现代微生物学. 科学出版社，2002