一、前言
微生物發酵過程是發酵行業中一個十分重要的生產環節,是一個復雜的生化反應過程,為了提高最終產物的得率,必須保證在整個操作進程中有一個適宜的微生物生長代謝環境,在此基礎上對發酵過程控制進行優化。因此對發酵環境的控制是發酵工業中極為重要的環節。采用計算機控制, 可實現對發酵過程參數的在線實量檢測、記錄、圖形顯示、歷史數據的自動存儲、報表打印和環境參數自動控制。
近年來，生物技術工業發展迅速，生物發酵技術和發酵裝置作為生物技術產業化的基礎，已引起人們廣泛的關注。微生物發酵過程，機理十分復雜，影響因素錯綜復雜，很難用確定的數學模型來描述，加之缺乏在線檢測發酵生物量參數的傳感器，給生物發酵自動化帶來了困難，因此開發一個能有效監控系統十分必要的。
二、微生物發酵系統方案
1、微生物發酵過程環境控制系統
發酵過程較為復雜,涉及到微生物細胞的生長和代謝,是一個具有時變性、隨機性和多變性輸入輸出的動態過程。由于有些變量(菌體濃度、基質濃度、產物得率等)在線檢測困難,不能直接作為被控變量,因此在發酵過程中主要采用與質量有關的變量,如溫度、攪拌轉速、pH值、溶解氧、通氣量、泡沫等作為被控變量。針對發酵過程中影響微生物代謝的各環境參數的重要性,主要介紹對溫度pH、溶解氧和泡沫高度進行重點控制。
（1）溫度控制
溫度控制對于特定的微生物,都有一個最適宜的生長溫度。因此,微生物發酵過程的發酵溫度的控制,是很重要的微生物生長環境參數。PID控制算法是工業工程中應用最廣的、技術最成熟的基本控制算法,考慮到其結構簡單,參數易于調整,控制精度高,適用性廣,并具有無余差功能。所以溫度控制采用這種算法, 并單獨構成控制回路。
（2）PH控制
PH值是微生物生長的另一個重要環境參數。在發酵過程中,必須嚴格加以控制,否則會嚴重影響微生物代謝的進行和代謝產物的合成。由于發酵過程pH 調節對象的特性的時變性較強,故pH調節劑的加入與發酵液pH變化關系復雜,在某些pH值附近，pH變化對加入的pH調節劑的量非常敏感,而另一些pH值附近,靈敏度卻顯著降低。采用控制蠕動泵的通斷時間來調節發酵液中的pH值可解決該問題。Ph值檢測用ph計。
（3）溶解氧濃度控制
在耗氧型發酵過程中,氧是作為微生物生長必須的原料,若供氧不足,將會抑制微生物的生長和代謝的進行,為此,在發酵過程中,要保持一定的溶氧濃度DO。影響溶解氧濃度DO的主要因素有供給的空氣量、攪拌槳轉速和發酵罐的壓力。目前,國內發酵罐溶解氧濃度的控制主要通過采用調節攪拌槳轉速或者調節供給的空氣量來實現,并且多為人工操作,控制精度不高。可將DO濃度變量(主參數)作為被控變量,以攪拌轉速(副參數)為控制手段,組成一個有主、副兩個回路的串級控制系統。轉速的實際值是不斷隨發酵罐內的溶氧的變化而變化的, 最后達到主參數控制在給定值上。溶解氧濃度控制用溶解氧分析儀。
（4）液位與消泡控制
在發酵前期,微生物生長旺盛。加入液料滿載,攪拌馬達全速開動,空氣通入量達到最大,這時發酵液上浮很厲害,稍有不慎,就可能會產生逃液現象。此時必須及時加入消泡劑,以減少泡沫,防止發酵液上浮。采用電阻極棒作為液位檢測元件,當發酵液液面達到一定的高度時,自動打開消泡劑的閥門,當液面降回到正常時,自動關閉消泡劑閥門。在消泡控制中,過程響應較慢,所以控制回路中應加入時間延遲防止加入過量的消泡劑。
2、微生物發酵微機集散控制系統
在抗生素、酶制劑、味精釀造等發酵行業中,微生物發酵過程是一個十分重要的生產環節,發酵的好壞直接影響到產品的數量、質量和生產成本。采用微機集散控制系統,不但實現了發酵過程參數的在線實量檢測、記錄、圖形顯示、歷史數據的自動存儲、報表打印和環境參數自動控制,而且為發酵工業的優化控制奠定了良好的基礎。
目前，人們大都采用計算機控制技術進行發酵過程的自動控制,其結構基本上都是采用工控機或PC機為上位機,下位機則采用STD總線或單片機,系統復雜且成本較高。可采用上、下位機的方式構建系統,下位機采用PLC,上位機采用普通PC機。兩者通過串口進行通訊,實現數據的采集與傳輸。
首先,采用PLC作為下位機,并設計成能自動選擇脫機(脫離上位機)或并機兩種運行方式,由于PLC運行可靠,一旦上位機出現問題,不會影響下位機的正常運行,另外,上、下位機之間的通訊采用專用的隔離電纜,這樣能夠很好地避免現場信號對計算機的沖擊從而保護了計算機,PLC本身具有內部與現場信號光電隔離的設計,所以現場強電很難串入PLC中,這樣使系統能夠長時間地可靠運行。
根據對發酵過程在線監控及對實時信息進行分析管理的需要,系統具有以下的功能:
(1）能數設定和通信功能:包括控制參數設定、間接參數計算及離線參數輸入等；實時接收由下位機發送來的檢測參數。
(2）檢測控制功能:對發酵罐中主要的變量和生物量(如攪拌轉速、培養液溫度、發酵液pH值、溶解氧濃度值等)進行在線測量,對菌體濃度、產物濃度和基質濃度等間接參數進行在線計算,以實時了解培養對象在發酵過程中的生理、生化特性、掌握其生長趨勢,為優化工藝控制和過程放大提供實驗依據和理論基礎。
(3）屏幕顯示功能:各種實時參數、圖表、帶實時發酵過程狀態動態刷新的發酵過程監控流程圖的顯示,以指導相應操作。
(4）操作管理功能:在上位機中通過圖形操作界面及多層菜單,選擇各種操作功能,包括設置限值、對下位機設置重要控制參數、采樣時間設定,顯示或打印過程數據等。
(5）信息存儲及報表和曲線打印功能:記錄及保存運行過程中的狀態、數據是發酵過程在線監控中的一個重要任務。通過精確的記錄來滿足各種分析統計的要求,以及對未來監控的操作指導。記錄保存的一般實現方法是按一定的周期間隔獲取預先選定的數據集,并把它們保存在一個數據庫文件中。
3、微生物發酵過程的監控系統
新研發微生物發酵過程的監控系統首先根據微生物發酵原理和過程，明確控制參數和控制對象模型；創新性地提出了指數積分PID控制和模糊PID控制算法，并在實際應用中得到了良好得控制效果；微生物發酵過程的監控軟件設計方法，利用Lab Windows/CVI開發環境開發了具有流程圖顯示、實時和歷史趨勢圖顯示、歷史數據保存、Excel格式報表、工業以太網通訊、自定義高級算法接口等完備功能的監控軟件；最后針對使用Rabbit2000作為嵌入式網絡控制器的不足，設計了基于ARM9高級嵌入式微處理器和嵌入式Linux強大的嵌入式一體化機，并利用MSP430微控制器設計了具有高抗干擾性、隔離的、能應用于惡劣工業環境的數據采集器，然后將多個數據采集器通過RS485主從式總線連接到嵌入式一體化機，使系統具有更好的可擴展性。
工業控制系統正朝著數字化、智能化、網絡化和開放化的方向發展。工業生產需要完成智能化，數字化改造、自動控制，嵌入式技術及其產品起到了至關重要的作用。嵌入式系統被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、能適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式應用已由工業、通信和網絡擴展到與數字多媒體相關的消費領域,其強勁的發展勢頭驗證了全球數字化革命的倡導者尼葛洛龐帝的預言：嵌入式應用是PC和互聯網之后最偉大的應用發明。
該系統借助迅猛發展的嵌入式系統技術在工業控制中的應用，設計了具有良好的開發性、分散的、易于擴展和集成的控制結構。并且設計了直觀的、友好的、便于操作的、能兼容其他程序的監控軟件。
（內容參考中廣微生物）
