发酵类生物反应器参数在线监控技术

化控制及在线监测方法，仍然处于一个较低的水平， 高发酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢所需
传统的操作方式是开环的，尽管对环境参数，如： 的氧气。在发酵罐上装配有搅拌电机和进行温度调
收稿日期 ：2011-01-30 作者简介 ：于颖（1968－），女，博士，副教授，主要从事制药装备及过 程工艺控制，过程模拟及优化技术、智能算法、CAD方向的教学及科研 工作。 Tel ：025-83271056 E-mail：yyinga@vip.sina.com
发酵过程温度控制中把模糊控制和 PID 控制结 合起来，不仅具有较快的响应速度和抗参数变化的 鲁棒性，而且可以对系统实现高精度控制。当温度 偏差较小时，采用 PID 控制，提高控制精度；当温 度偏差较大时采用模糊控制，以加快响应速度。两 者的转换由事先程序给定的偏差范围自动实现。模 糊 PID 温度控制系统的结构如图 2 所示。 2.1.2 pH 值控制
图 3 pH 控制原理图
pH 和进料流量则通过蠕动泵来控制，一个泵用 来补给培养基溶液，另外两个泵分别用来投递 HCl 和 NaOH，控制发酵罐溶液的 pH 值。如图 1 所示。 2.1.3 溶氧控制
溶解氧作为发酵过程中的一个重要的参数，必 须精确控制。影响溶解氧的主要因素有：通气量、 罐压、微生物需氧量、搅拌转速。一般搅拌转速是 定值，根据发酵工艺而定。微生物需氧量在发酵的 不同阶段值变化较大，很难确定；罐压一般要求尽 可能稳定。因此，主要通过调节通气量来控制溶解氧。 由于溶解氧具有很大的滞后性，采用常规 PID 控制， 易产生振荡，超调也很大。管国强等 [9] 采用以溶解 氧控制器为主控制器，通气量控制器为副控制器的
节的加热和冷却装置，配有温度、溶氧、pH 值等检 测传感器及 HPLC 在线分析仪等可以对发酵参数进 行在线检测，并根据发酵各参数的变化情况进行反 馈控制，实现在线监控功能。 1.2 生物反应工程概念
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2011年 第32卷 第2期 4月20日出版 Pharmaceutical & Engineering Design 2011， 32(2)
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串级控制系统。溶解氧控制器的输出作为确定通气 量调节给定值的依据，从而达到根据溶解氧的需要 来控制通气量的目的，方块图如图 4 所示。钱洁 [1] 采用了改变罐压、通气量所组成的溶解氧串级控制 系统 ( 如图 5 所示 )。溶解氧、罐压、通气量调节器 均为由计算机实现的数字调节器。其中，溶解氧调 节器为主调节器，罐压和通气量调节器为副调节器。 溶解氧调节器的输出作为确定罐压和通气量调节给 定值的依据，以达到根据溶解氧的需要来控制罐压 和通气量的目的。但该方案中，由于罐压由进气调 节阀的开度控制，通气量由出气调节阀的开度控制， 调节罐压将影响到出气流量，反之调节出气流量将 影响罐压，两者之间有较紧密的藕合关系，采用常 规 PID 控制，控制质量较差，难以稳定，易失控及 振荡，有较大的超调，因此，在主回路中引入模糊 控制概念，实现 Fuzzy-PID 串级控制，显著改善了 系统的控制效果。
Yu Ying, Zhang Xiaohui (China Pharmaceutical University Nanjing, 210009)
Abstract: In this article, biological fermentation reactor, the method of controlling its parameters and the online monitoring technique were briefly stated. What presented herein was provided as the reference for studying online monitoring technique used for biological fermentation reactor. Keywords: fermentation; biological reactor; process parameter; online monitoring
计算机技术的飞速发展为测量、分析、反馈控制、 而且容积一般都小于 10L。发酵罐有很多类型，如：
在线监测生化工程提供了先进的自动化工具。与国 鼓泡式、气升式、机械搅拌式、喷射自吸式等。其中，
际先进的生物反应工程的在线检测及控制技术相比， 机械搅拌式在实验室和生产中应用最为广泛，其利
我国生物反应工程技术无论是发酵工艺，还是自动 用机械搅拌器的作用，使气和发酵液充分混合，提
但是，以控制为目的，将在线 HPLC 连接到发 酵罐或者是生物反应器上，根据监测数据，进行反 馈控制的报道还很少。大多数文献研究仅仅将基于 HPLC 的自动化系统致力于在线监测。特纳等人近 来将在线 HPLC 系统应用于封闭的回路控制（馈送 率控制）重组细胞 E，大肠杆菌，反馈批发酵。此外， 也有文献报道了一种低成本、基于个人电脑的监测 和控制系统适用于微生物发酵 [3]。该系统设计的软 件采用 VB4.0 编制，在这个系统监管下，生物发酵 过程的许多关键部分数据的获得、分析和反馈控制 能同时进行，对生物发酵过程进行在线检测及控制。 2.1 过程参数控制 2.1.1 温度控制
制药装备应用与研究
2011年 第32卷 第2期 4月20日出版 Pharmaceutical & Engineering Design 2011， 32(2)
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发酵类生物反应器参数在线监控技术
于颖 张小惠 （中国药科大学，江苏 南京 210009）
摘要
概述了发酵类生物反应器及其过程参数的控制方法、在线监控技术，拟为目前发酵类生物反应过程参数的在线 监控技术的深入研究提供思路。
温度是影响微生物生长发育及代谢活动的重要 因素。发酵液温度通过调节夹套中冷却水或加热水 流量来控制。考虑到发酵过程不同阶段产生热量的 速度不同，过程模型参数变化较大，冷却水流量与 温度关系无法精确测定，宜采用分段设定的自适应 PID 控制算法。另外，发酵过程有时温差较大，易 产 生 超 调 和 积 分 饱 和， 可 采 用 积 分 分 离 的 自 适 应 PID 控制算法 [4]。
生物反应过程参数的在线监控是生物反应工程 至关重要的一个部分。发酵类生物反应器及其控制 系统结构图 [1] 如图 1 所示。
由于发酵过程内部机理非常复杂，影响因素多， 各因素参数之间相互作用，更增加了过程的复杂性。 迄今为止，常见的生物发酵设备，检测的参数有温度、
压力、pH 值、溶氧、转速、空气流量、泡沫、液位、 尾气中的氧气和二氧化碳等，能够控制的参数 ( 功能 ) 有温度、pH 值、溶氧、转速、压力、空气流量、消泡、 液位、补料、灭菌等，大多采用常规调节方法进行 控制。事实上，由于发酵过程的复杂性和现场工程 的限制性，试图通过系统辨识建立被控变量与控制 手段之间的传递函数，进行系统解耦的方法往往并 不理想 [2]。
PID 控制是工业上应用最广泛的一种控制方法， 具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，但适 应性较差。在实际发酵过程控制中存在着时变性、 非线性与模型不确定性，此时 PID 不能很好地控制， 则可采用模糊控制方法。模糊控制是依赖于人和专 家的经验进行控制，对时滞、非线性和时变的系统 有良好的控制能力，但不具有积分环节，在变量分 级不够多的情况下，在平衡点附近常出现振荡现象 和稳态余差。
在发酵过程中，完全自动化的在线监测和控制 系统的发展是非常重要的。发酵中，在线监测培养 基和产品浓度通常是比较困难。由于要防止传感器 污垢，并且原位消毒灭菌较难，发酵罐中所使用的 传感器有所限制。与生物传感器相比，HPLC 系统 有利于同时分析发酵液中的多种组成成分。国外用 于监测产物和次要产物青霉素以及头孢菌素的在线 HPLC 系统已发展成熟。自动化 HPLC 系统在杂种
现代意义上的生物反应工程是指在一定条件下 ( 合适的培养基、温度、pH 值、通气量、搅拌等 ) 进行培养发酵，利用微生物的某种特定功能，通过 现代工程技术方法生产对人类有用的物质或直接把 微生物应用于工业化生产的技术体系，其主要内容 包括：工业生产菌株的选育、最佳发酵条件的选择 和各测量参数的在线检测、控制与优化、生化反应 器 ( 发酵罐 ) 的设计和产品的分离、提取和精制等过 程。 2 生物反应过程参数的在线监控
发展，发酵工业越来越多的引起人们的重视。生化 反应器的体积从几 m3，直至几百 m3。二次代谢产物
工业生产过程控制。因此，在加强对发酵工艺研究 的同时，提高发酵自动化控制技术及在线监控技术
的生产 ( 抗生素的生产 )、通过微生物的培养来获得 有机物质的转化 ( 如：类固醇 )、工业污水处理以及
已成为一个刻不容缓的课题。 1 基本概念
图 2 模糊 PID 系统结构图
发酵液的 pH 值直接影响到菌体的生长繁殖和 代谢产物的合成，菌体在培养过程中本身具有一定 的调节环境 pH 值的能力。当外界条件发生变化时， pH 将会产生波动。在生产过程中采用加酸、碱中和 的办法来调节 pH 值。从控制模式看，发酵液的 pH 值也是一个大滞后、大惯性的控制对象。根据实际需 要，肖应旺 [5] 等采用时间比例滴加方式，商建东 [6] 采用专家智能方法进行 pH 值的控制，王俊伟 [7] 给 出了无模型自适应方法应用于 pH 控制中，梁斌 [8] 给出了前馈加反馈的控制方案，其控制原理如图 3 所示。对于分批发酵生产，发酵液的 pH 值调到一个 定值，比如 5、搅拌速度为 120 rpm。控制程序为： ①测试从 pH 电极输出的电压，把它转换为 pH 值； ②将 pH 测量值和设定值比较，计算差值；③加入 HCl（pH 差 值 > 0.05） 或 NaOH[pH 差 值 < － 0.05， 或者不加（－ 0.05 < pH 差值 < 0.05）]；④每 10s 重 复①到③的步骤。
发酵技术 ( 广义上称生物反应技术 ) 是一种和 pH 值、发酵温度、溶氧浓度等都可以控制得很好，
我们的生活息息相关的技术，人们日常生活中的酵 但由于微生物生长过程，一些关键变量还是不可在
母、啤酒、味精，以及各种抗生素药物、氨基酸等 线测量，使发酵过程控制问题依然很复杂，并且控
都离不开发酵。近年来，随着生物科学技术的迅速 制效果不理想，发酵工业的闭环控制滞后于一般的
图 1 生物发酵设备及其控制系统结构图
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细胞培养中监测单克隆抗体产物也已发展成熟。其 他基于 HPLC 的自动化在线系统也在重组 E 细胞的 发酵，大肠杆菌机械化蛋白质产物中建立起来，系 统中被特纳等人提议在 HPLC 之前，安装蒸汽灭菌 和高速率的微型离心机，整个发酵液样品用离心法 预处理，以获得清澈的样本，然后注入 HPLC 中。
关键词
发酵类；生物反应器；过程参数；在线监控
中图分类号源自文库 TQ920.5
文献标识码： A
文章编号： 1008-455X(2011) 02-0041-07
Online Parametric Monitoring Technique for Biological Fermentation Reactor
酶制剂、实用蛋白、饲料添加剂等生产，发展迅速。 1.1 发酵罐
面对生物反应工程的发展，生物反应过程的参数测
发酵罐是一种最为常见的生物反应器，它由圆
量、自动控制、优化操作与控制、在线监控成为生 柱形罐体和各种检测传感器组成。发酵罐的罐体一
物反应工业工程发展中面临的重要问题。另一方面， 般为玻璃或钢结构，实验用发酵罐以玻璃结构较多，