發(fā)酵罐控制系統(tǒng)的參數(shù)控制
時間：2022.10.25
發(fā)酵罐的控制系統(tǒng)主要是通過控制熱工和生化參數(shù)，從而達到控制整個發(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)展過程。在整個發(fā)酵罐的工藝控制中，可分為模擬量控制、開關(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中的電導率等。
1、罐溫控制
參數(shù)作用罐溫會影響發(fā)酵過程中酶反應(yīng)的速率及氧在培養(yǎng)液中的溶解度，其與菌體生長、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，加熱量是由工藝計算而得；冷卻量是指在加熱或滅菌后，且在規(guī)定的冷卻時間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個加熱器和冷卻水電磁閥組成，當發(fā)酵罐內(nèi)溫度低于（或高于）某個設(shè)定值時，系統(tǒng)將自動開啟加熱器（或冷卻水電磁閥），以達到控制發(fā)酵罐溫度的目的。
通過計算在規(guī)定的冷卻時間下所需的冷量得出冷卻量，通過計算在規(guī)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，得出換熱面積，也就是發(fā)酵罐的夾套或盤管的面積。通過對管路長度、介質(zhì)壓力及壓力損失的計算，才能確定換熱管的管徑，進而確定控制閥的通徑，控制閥通徑是以培養(yǎng)溫度的控制波動量為主要參數(shù)。若以培養(yǎng)溫度的控制波動量為參數(shù)來計算，往往可設(shè)定60%～80%的開度為穩(wěn)定值；若要兼顧滅菌升溫時間，那么取值可以低些，此時培養(yǎng)溫度控制波動量就會大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統(tǒng)中，如果上述工藝參數(shù)計算取值恰當，則參數(shù)控制相對精確，其中工藝參數(shù)可采用飛升曲線計算或經(jīng)驗法等方法獲得。在兼顧培養(yǎng)和滅菌的罐溫控制中，采用PID自動控制，其培養(yǎng)溫度的波動控制范圍在±0.1 ℃。其中，微分作用能提高動態(tài)響應(yīng)速度，積分作用能有效消除靜態(tài)誤差，使環(huán)境溫度不對罐溫控制產(chǎn)生影響。當然，換熱夾套的設(shè)計要盡可能薄，以減少溫控滯后所帶來的波動。
滅菌控制按照工藝與GMP要求，對發(fā)酵設(shè)備應(yīng)當進行清潔、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，先進的發(fā)酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來替代傳統(tǒng)的疏水閥，但對所滅菌系統(tǒng)與蒸汽管路及閥門通徑的設(shè)計有一定要求。在滅菌程序設(shè)計中，通蒸汽時間和疏水時間間隔應(yīng)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(xiàn)。在滅菌溫度控制中，應(yīng)考慮升溫曲線中的溫度波動周期，一般設(shè)定為到達設(shè)定溫度的1min后才正式計時，以滿足濕熱滅菌的F0值要求。
罐溫控制主要包括控制加熱量與冷卻量。其中，加熱量是由工藝計算而得；冷卻量是指在加熱或滅菌后，且在規(guī)定的冷卻時間下所需要的冷量。罐溫控制裝置由一個加熱器和冷卻水電磁閥組成，當發(fā)酵罐內(nèi)溫度低于（或高于）某個設(shè)定值時，系統(tǒng)將自動開啟加熱器（或冷卻水電磁閥），以達到控制發(fā)酵罐溫度的目的。
通過計算在規(guī)定的冷卻時間下所需的冷量得出冷卻量，通過計算在規(guī)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，得出換熱面積，也就是發(fā)酵罐的夾套或盤管的面積。通過對管路長度、介質(zhì)壓力及壓力損失的計算，才能確定換熱管的管徑，進而確定控制閥的通徑，控制閥通徑是以培養(yǎng)溫度的控制波動量為主要參數(shù)。若以培養(yǎng)溫度的控制波動量為參數(shù)來計算，往往可設(shè)定60%～80%的開度為穩(wěn)定值；若要兼顧滅菌升溫時間，那么取值可以低些，此時培養(yǎng)溫度控制波動量就會大些。
在帶冷熱夾套的溫度控制系統(tǒng)中，如果上述工藝參數(shù)計算取值恰當，則參數(shù)控制相對精確，其中工藝參數(shù)可采用飛升曲線計算或經(jīng)驗法等方法獲得。在兼顧培養(yǎng)和滅菌的罐溫控制中，采用PID自動控制，其培養(yǎng)溫度的波動控制范圍在±0.1 ℃。其中，微分作用能提高動態(tài)響應(yīng)速度，積分作用能有效消除靜態(tài)誤差，使環(huán)境溫度不對罐溫控制產(chǎn)生影響。當然，換熱夾套的設(shè)計要盡可能薄，以減少溫控滯后所帶來的波動。
滅菌控制按照工藝與GMP要求，對發(fā)酵設(shè)備應(yīng)當進行清潔、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，先進的發(fā)酵罐的管路中往往用疏水隔膜閥來替代傳統(tǒng)的疏水閥，但對所滅菌系統(tǒng)與蒸汽管路及閥門通徑的設(shè)計有一定要求。在滅菌程序設(shè)計中，通蒸汽時間和疏水時間間隔應(yīng)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(xiàn)。在滅菌溫度控制中，應(yīng)考慮升溫曲線中的溫度波動周期，一般設(shè)定為到達設(shè)定溫度的1min后才正式計時，以滿足濕熱滅菌的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，有利于菌的生長及合成。
壓力控制發(fā)酵罐罐體和管路在發(fā)酵過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，在滅菌降溫的過程中，為避免負壓吸入環(huán)境的非潔凈空氣以及負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，降溫過程中的壓力影響是非控制參數(shù)，這時的壓力是用進氣閥控制。
壓力控制發(fā)酵罐罐體和管路在發(fā)酵過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，在滅菌降溫的過程中，為避免負壓吸入環(huán)境的非潔凈空氣以及負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，降溫過程中的壓力影響是非控制參數(shù)，這時的壓力是用進氣閥控制。
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，即空氣流量與攪拌轉(zhuǎn)速。
DO值標定發(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值標定十分重要。在滅菌升溫過程中，當溫度達到120 ℃后，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(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定。
空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速控制發(fā)酵過程中，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，即空氣流量與攪拌轉(zhuǎn)速。
DO值標定發(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值標定十分重要。在滅菌升溫過程中，當溫度達到120 ℃后，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(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定。
霍爾斯（HOLVES）研發(fā)設(shè)計的HF-Control第二代發(fā)酵控制系統(tǒng)，應(yīng)用了儀表盤設(shè)計語言，用戶通過觀察動態(tài)數(shù)字表盤對發(fā)酵過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)一目了然，可以非常準確地掌握發(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）獨有的專利技術(shù)，開發(fā)的自動化功能模塊，更是將發(fā)酵工作帶入智能平臺，大大提升用戶的實驗效率及時間成本。
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HOLVES提供不同類型的發(fā)酵罐知識、技術(shù)文章，例如：發(fā)酵罐發(fā)展歷史、發(fā)酵罐日常保養(yǎng)。在發(fā)酵罐產(chǎn)品更新方面，最新的新生代實驗室玻璃發(fā)酵罐，能滿足更多用戶的需求。
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