谷氨酸发酵过程先进控制_姜长洪

· 30 ·
化 工 自 动 化 及 仪 表 第 31 卷
(5)以溶解氧 为主被 控变 量 , 风 量 、搅 拌电 机转 速为辅助变量的串 级复合 控制 如图 2 所 示 , 空 气流 量控制的设定 值由 溶解氧 控制器 输出 进行校 正 , 也 可以根据发酵 进行 的时间 分段设 定 , 以 改善过 程的 供氧情况 。
1 谷氨酸发酵工艺特征及其控制中存在的问题 1 .1 工艺特征
谷氨酸发酵是典型的生化反应过程 。谷氨酸菌 既是反应过程的主体 ,又是反应过程的生 物催化剂 , 它摄取原料的 营养 , 通过细 胞内特 定的 酶系列 进行 复杂的生化反应 。底物中的反应物透过细 胞壁和细 胞膜进入细胞体内 ,在酶的作用下进行催 化反应 , 将 反应物转化为 产物 并释放 出来 , 细 胞的 内在特 性及 其代谢规律 是影 响生化 反应 的关键 因素 。因 此 , 发 酵是一个比其它工业过程更为复杂的动态过程 。对
(1)该 系 统 计 算 机 硬 件 由 研 华 工 控 机 及 SIEMENS PLC S7-300 控制器和 相应控制 功能组 件构 成 。操 作站采用 WINCC 组 态软件 , 在 WINDOWS NT 环境下运行 。可以实现工艺流程监控 、控 制器操作 、 历史趋势记 录 、综 合及报 警信息 显示 等操作 。 并提 示发酵过程状态进行实时操作指导 。
3 .2 发酵罐的主要控制系统
为了控制和跟 踪发酵 过程 菌体生 长轨 迹 , 本 装
置设计了图 1 所示控制系统 。
图 1 发酵罐的主要控制系统
(1)发 酵罐 温度程 序控 制 :根据 发酵时 间进 程 , 按最适宜的微生物生长环境设定温度值 。
(2)发酵罐 pH 值程 序控 制 :根据 工艺 人员长 期 摸索的规 律 , 确 定 一条 优 化设 定 曲线 , 采 用液 氨 流 加 , 控制发酵 液的 pH 值 。考虑到 pH 过程的非线 性 特性 , 为了提高控制效果 , 采用了有约束的非线 性补 偿控制方 法 , pH 值 的跟 踪 性 能与 抗 干 扰性 能 都 较 强 , 最大稳态误差不超过 0 .1pH 。
正 , 使估算值逐渐接近实际值 。
在谷氨 酸发 酵过 程中 , CO2 释放 率与 菌体 细胞 干重成线性关系 。
菌体量可以计算如下[ 2] :
X
= CPR QCO2
(4)
式 中 :X ———菌 量 , g/10ml ;CPR ———CO2 释 放
率 , %;QCO2 ———CO2 释放比率 , %。 二氧化碳释放率可以由下式获得 :
图 2 以溶解氧为主被控变量的风量 、搅拌电机转速复合控制
在一般情 况下 , 当发酵 罐内有 富余 的空气 且搅 拌电机转速适 中时 , 通过对 搅拌电 机转 速控制 可以 得到良好的溶 解氧 动态过 程 , 而在 空气 量不足 或搅 拌电机达到 一定转 速后 , DO 变化受 到限 制 , 这 时它 可以通过溶解氧和风量调节回路得到继续改善 。该 系统对搅拌速度进行了一定限制 ,搅拌速 度过高 , 浆 叶可能对菌体造成伤害 ,使菌体破裂 , 甚至 引起发酵 液黏度 、OD 值及 pH 值 的变化 。搅 拌电 机回路 对加 快 DO 的动态响应 , 提高氧的利用率较为有利 。 3 .3 系统主要配置
体积浓度 , mol/ l 。
QCO2 可以按下式得到 :
(QCO2)n =X(0eCxPp(R) μtnn) (n =1, 2, … , N)
(6)
式中 :n ———取样数 据序号 ;μ———比生 长率 , 可 根
据连续测量的 CPR 及其变化速率求得 。
QCO 可用平均值 QCO 代替 , 按下式计算 :
(2)由于谷氨酸发酵是批量过程 , 原料 来源与配 制 、菌种活 性 与数 量 、干扰 的 介入 及 人为 因 素的 影
响 , 不仅会对一些生化参数产生影响 , 甚至 会改变微 生物的代谢 途径 。同 时 , 由于 微生 物生长 各阶 段的 物理 、生化特性及变化规律差异较大 , 很难 满足机理 建模时的假 设条 件 。因此 , 在 整个 发酵过 程中 这些 变量不可能始终遵循模型所示的规律 。
发酵过程控制的研究还没有从微生物代谢 的本质上 去考虑 , 生化过 程控 制仅限 于为菌 体生 长代谢 提供 基本的物理环 境 , 发 酵过程 动力学 模型 在发酵 控制 的实际应用中还有一定的困难 。 1 .2 存在问题
由于工业发酵过程的固有特性及人们 生产习惯 的影响 , 国内谷氨酸发酵装置普遍存在下列问题 :
化控制 , 但就其全局来讲 , 关于这一发酵过程完 整的
工程知识尚不够 完善 , 对 基于 模型或 专家 知识的 各 种优化控制还要作深入的工作 。
2 谷氨酸发酵过程的动力学模型 发酵过程一般 包括细 胞生 长 、底物 消耗 及产 物
的生成 。描述发酵 过程 的主要 变量 有菌体 浓度 、底
物浓度和产物浓度等 , 在不同的条件下 , 由于代 谢途
2
2
Q CO2 =(X10 N)n∑N=1(CPR)nexp(- μt)
(7)
式中 :N ———估算 QCO2 时的取样总数 。采用上述方法 进行在 菌 量估计 , 还应 考虑 菌
体在不同生长时期的生理活性 。由于菌体生理 活性
随不同生长时期而变化 , 对比生长速 率 μ、QCO2 要进 行分段校正 , 以保证估算精度 。
径不同会得到不 同的产 物 , 因 此对模 型精 度要求 较 高 。理论上谷氨酸发酵过程模型可表示为[ 1] :
菌体生长模型 :
dX
dt
=
μm
X(1
-X) Xm
(1)
产物生成模型 :
dP
dt
=KVmm+SXS
-a
dX dt
(2)
基质消耗模型 :
-dS = 1 dX + 1 dP
dt YG dt YM dt
(3)
式中 :X ———菌 体浓 度 , 以光 密 度表 示 ;Xm ———最
大菌体浓度 ;μm ———菌体最 大比生 长速度 ;P ———
产物谷氨酸的 浓度 ;S ———底物浓 度 ;Vm ———谷 氨
酸的最大生长 比速率 ;α———常 数 ;K m ———产物 对
底物 S 的饱和常数 ;Y G ———生成菌体与对应糖耗比
(3)优化控 制处于 起步 阶段 。但 是由 于间 歇发 酵过程的批量 特点 及流加 操作的 影响 , 模型参 数的 分散性 、非线性 、时变性 、相关性 、滞后性以 及不可避 免的人为干预等扰动 ,使若干关于底物消 耗 、菌体生 长 、产物生 成 的数 学 模型 付 诸实 施 的 可能 性 较小 。 虽然也有文献报道过一些生化反应过程的 智能或优
(2)主要测 量仪表选 用了 METTLER-TOLEDO pH 计 ;用于在线连续测量发 酵液中 的 pH 值 ;DKK 在线 溶解氧分 析器 , 用 于检 测发 酵 液中 的溶 解 氧值 ;NF 红外线 CO2 分 析仪 , 在 线分 析发酵 罐尾 气的 CO2 含 量 ;磁氧分析仪 ,在线分析发酵罐尾气的残余氧含
(3)变 量的 相 关 性 、非 线 性增 加 了模 型 求解 难 度 ,同时菌体 浓度 与生 物供氧 、pH 控 制变 量等 缺乏 直接而简捷的数学关系 。
(4)批量过程的差异 , 往往使模型参数 出现一定 的分散性 、不 确定性 , 模型系 数关 系复杂 , 受控 于多 种因素 。因此 根据模 型进行 控制 , 很难获 得预 期的 效果 , 有时还会有较大的误差 。
量 ;电磁流量计 、涡街流量计分别用于流加糖和 风量 检测 ;SIEMENS 变频器以及其它温度 、压力等检测 仪 表。 4 运行情况
实践表 明 , 在 谷 氨 酸生 产 过程 中 , 利 用 排气 中 CO2 的变化来估 计不 同阶 段细 胞 生长 状态 , 并 用于 指导生产操作是一种比较实际而有效的方法 。
3 菌体量的在线估算与发酵罐整体控制 3 .1 菌体量的在线估算
掌握发酵过程中菌体生长状态与规律 是非常重
要的 , 它直接 关系 到产酸 水平 。然 而由于 缺乏 连续
收稿日期 :2004-03-09(修改稿)
第 2 期 姜长洪等 .谷氨酸发酵过程先进控制
· 29 ·
酵 ,而是介 于 间歇 和 半连 续 给料 之 间 的流 加 操作 。 由于流加物料 数量 较大 , 对 菌体浓 度产 生的稀 释作 用严重地影响 了原 有的浓 度变化 规律 , 使发酵 液体 积及浓度等成 为时 变参数 , 很难适 用于 伴有流 加操 作的发酵过程控制 。
CPR
=
Fi[ V
1
CN2i · -(CO2o
+CCOC2iCO2o)-
CCO2o]
(5)
式中 :Fi ———进气流量 , Nm3/h ;V ———发酵液体积 ,
m3 ;CN2i 、CCO2i ———进气中的氮气和二氧化碳的体积 浓度 , mol/l ;CO2o 、CCO2o ———排 气中氧 和二氧化 碳的
测定菌体浓度 的传 感器 , 目 前还无 法直 接测定 发酵
过程菌体的生长状况 。工艺上大多采用镜 检或取样
测定发酵 液 光 密度 (OD)的 方 法 来判 定 菌 体浓 度 。 鉴于上述情况 及菌 体生长 模型在 应用 上的困 难 , 我
们采取利用 CO2 释放率来在线近似估算菌 体量的方 法 ,经过一个阶 段与 实验测 定数据 的对 比分析 与校
过程控制
化工自动化
Control and
及仪表 , Instrum en
2004 ts in
, C
31(2):28 ～ 30
hemica l In dus try
谷氨酸发酵过程先进控制
姜长洪1 , 姜 楠2 , 王贵成1 , 蔡庆春1