Автоматизированный контроль и управление биореактором

Понятие контроль производства включает весь комплекс химических, биохимических и микробиологических анализов и измерений по учету качественных и количественных показателей технологического режима на всех этапах производства, начиная с определения качества сырья и заканчивая оценкой качества готовой продукции. Весь указанный объем работ выполняется сотрудниками центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) и цеховых лабораторий. Контроль проводится путем отбора проб и выполнения экспресс-анализов и постоянного наблюдения за показаниями контрольно-измерительных приборов.

Таблица 5.5.1 – Основные параметры контроля и регулирования стадий биотехнологических процессов

Параметры контроля и регулирования	Стадии биотехнологического процесса
Очистка и стерилизация воздуха	Приготовление питательных сред	Культивирование микроорганизмов
Температура, °С	+	+	+
Давление/вакуум, атм/мм.рт.ст.	+	+	+
Мощность, потребляемая мешалкой, кВт			+
Скорость вращения мешалки, об/мин		+	+
Скорость расхода газа, л/мин	+		+
Скорость расхода жидкости, л/мин		+	+
Вязкость жидкости, пуаз			+
Плотность жидкости, кг/м³			+
Высота жидкости в аппарате, м		+	+
Концентрация ионов водорода, рН		+	+
Окислительно-восстановительный потенциал, мВ		+	+
Концентрация О₂ в газе, %			+
Концентрация СО₂ в газе, %			+
Парциальное давление О₂ в жидкости, мм.рт.ст.			+
Парциальное давление СО₂ в жидкости, мм.рт.ст.			+
Интенсивность пенообразования			+
Концентрация микроорганизмов, млрд/мл			+
Относительная влажность воздуха, %			+

Автоматизированный контроль и управление процессом, протекающем в биохимическом реакторе, имеет много общего с контролем и регулированием химико-технологических параметров, таких как температура, расход, давление и др. В таблице 5.5.1 указаны измеряемые параметры, необходимые для квалифицированного контроля и управления биохимическим процессом.

Вместе с тем измерение и регистрация параметров биохимического процесса не должны нарушать стерильных условий работы биохимического реактора. Таким образом, одной из основных проблем биотехнологии является весьма ограниченное число датчиков, соответствующих асептическим условиям процессов, работающих в сложных по составу ферментационных средах, включающих биомассу, пузыри воздуха, жировые компоненты, жидкие эмульсии и твердые частицы. Выбор датчика производится в зависимости от контролируемого параметра и пределов его измерения. В общем случае наилучшим будет применение бесконтактного датчика. Однако это не всегда возможно для такого процесса, как ферментация. Важным требованием к датчикам является возможность его стерилизации тепловым способом.

В качестве примера в таблице 5.5.1 перечислены технические средства, наиболее часто используемые для контроля технологических параметров процесса биосинтеза.

При биосинтезе температуру можно контролировать ртутными термометрами, металлическими термометрами сопротивления или термопарами.

Для измерения давления используются относительно простые диафрагмовые или пружинные манометры.

В регулировании скорости подачи газа и жидкости предпочтение отдается расходомерам переменного сечения – диафрагмам и ротаметрам.

При измерении рН используют два электрода: измерительный и электрод сравнения.

Растворенный кислород измеряют преимущественно амперометрическими датчиками, у которых наблюдается линейная зависимость между концентрацией растворенного кислорода и напряжением, поскольку проникающий селективно через мембрану кислород вызывает на электроде электрохимическую реакцию.

Концентрацию СО₂ и выходящих газов измеряют по температуропроводности газов, иногда пользуются инфракрасными анализаторами.

Наличие пены, интенсивное перемешивание существенно усложняют применение обычных методов измерения уровня, распространенных в химической технологии, поэтому целесообразно использовать бесконтактные акустические уровнемеры.

Основные причины, усложняющие автоматизацию биотехнологических процессов, состоят в отсутствии достаточных знаний о явлениях, связанных с метаболизмом микроорганизмов и синтезом продуктов. Включение ЭВМ в контур управления позволяет успешно справляться со многими проблемами. Технико-экономический анализ показывает, что управление процессами в применением ЭВМ повышает производительность на 5% и уменьшает затраты на 3%.

В коплексе ЭВМ-ферментер основными элементами являются:

· ферментер с набором датчиков, измерительных и исполнительных устройств;

· ЭВМ со своими периферийными устройствами;

· устройства связи с объектом, осуществляющие сопряжение ЭВМ и ферментера;

· математическое обеспечение, включающее операционные системы и программы пользователя.

Таблица 5.5.2 – Основные технические средства, наиболее часто используемые для контроля технологических параметров культивирования

Контролируемый (измеряемый) параметр	Технические средства (датчики, приборы)	Примечание
Температура	Стеклянные термометры в защитной оправе. Манометрические термометры ТГ, ТЭ, ТДГ, ТПЖ	Предел измерения 0¸200 °С
Термометры сопротивления ТСП, ТСМ в комплекте с логометром Л-64	Предел измерения -200¸750 °С
Термометры ХА, ХК, ПП в комплекте с милливольтметром М-64 или уравновешенным электронным потенциометром КСП-4
Давление	Манометры МЭД, МТИ с разделительной мембраной РМ, системы ГСП с преобразователем давления в пропорциональный электрический сигнал прибора МП-Э или в пневматический	Пределы измерения соответствуют ряду чисел 1: 1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0 системы автоматики, сигнализации и блокировки, измерение избыточного давления газа
Манометры пружинные серии ЭКМ с одновременным измерением сигнала. Мембранные манометры серии НМП-52
Расход жидкости и газа	Диафрагмы (камерные, бескамерные) с дифференцированными манометрами.	Чистые жидкости
Индукционные расходомеры ИР-11 со счетной приставкой и барабанным электромеханическим счетчиком СИ-61Р	Для электропроводящих жидкостей и растворов при расходе от 0,32 до 2500 м³/ч и средней скорости 1,25-10,0 м/с
Тепловой анемометр с полупроводниковым герметизированным датчиком температуры	Жидкости и газы
Бесконтактные тепловые расходомеры
Ферментные электроды	Аналитический контроль, малые количества специальных вещетв
рН	Измерительный электрод ЭСП-41-11	До температуры 120 °С. Прделы измерения рН от1 до 14
Стеклянный каломельный или сурьмяный электрод с устройством для крепления электродной системы ДПГ, ДПР
Концентрация растворенного О₂	Полярографическая ячейка с платиновым и хлорсеребряным электродом, защищенным фторопластовой мембраной. Ячейка снабжена фотоэлектрическим усилителем. Электрохимические твердые электроды, защищенные газопроницаемой мембраной. Гальванический анализатор ЭГ-152-003	Чувствительность 100мкА/мм.рт.ст. О₂
Полярографический датчик типа «полет иглы»	–
Концентрация растворенного СО₂	Стеклянный электрод с фторопластовой мембраной	Чувствительность к изменению температуры СО₂ от 1,07 до 25,3 кПа (8-190 мм.рт.ст.)
Эластичные трубки с избирательной проницательностью совместно с газоанализатором	–
Расход биомассы	Спектрофотометр двухлучевой, четырехканальный, двухволновый	–
Уровень жидкостей	Электронные сигнализаторы ЭСУ	Пределы измерения 0¸2 м
Буйковые уровнемеры УБ. Дистанционные уровнемеры с пневматическим и электрическим сигналом УД-1	Пределы измерения 0¸16 м
Электронный сигнализатор уровня МЭСУ	Как для электропроводящих, так и для непроводящих жидкостей
Бесконтактные акустические уровнемеры ЭХО-1-6, ЭХО-1-40	Для рабочих давлений 0,6 и 4 Мпа
Индикация пены	Контактные электропроводящие датчики – трубки из нержавеющей стали, изолированные от корпуса аппарата и гуммированные силиконовой резиной	До температуры 150 °С

Применение ЭВМ в системах автоматизированного управления может иметь несколько технических решений, и, следовательно, разные режимы работы. Наиболее простым является информационный односторонний режим, в котором
ЭВМ собирает показатели как входных, так и выходных параметров процесса (рисунок 5.5.1).

В операторском (диспетчерском) режиме работы ЭВМ используется в качестве советчика оператора (рисунок 5.5.1Б). В этом режиме ЭВМ ведет обработку по математическим моделям до 50 основных технологических параметров с выдачей данных на цифропечатающее устройство или дисплей. По этим данным оператор, непосредственно связанный с исполнительными механизмами, может принимать правильные решения по управлению процессом. Однако сама ЭВМ не соединена с исполнительными механизмами, и поэтому контур управления носит разомкнутый характер.

Режим, когда ЭВМ и биореактор составляют единый замкнутый контр, называют супервизорным (рисунок 5.5.1В). Процесс биосинтеза непрерывно контролируется ЭВМ по заданной для него математической модели. В случае изменения входных параметров ЭВМ осуществляет корректировку его работы. Таким образом, создается биотехнологический комплекс «ЭВМ-биореактор», состоящий из трех основных подсистем контроля и управления: сбора и обработки измеряемых параметров, анализа данных и определения расчетных параметров, выбора и управления режимом. В качестве технических средств в таких системах управления используют специальные управляющие вычислительные комплексы (микропроцессы): АСВТ М-6000, СМ-1, РЕМИКОНТ, ЛОМИКОНТ. Для микробиологических производств применяют одну из разновидностей ЛОМИКОНТа – «Биоцикл».

Приведем несколько примеров использования контрольно-измерительных приборов на стадии культивирования микроорганизмов. Одним из важнейших факторов, влияющих на биосинтез и рост клетки, является рН среды. Этот показатель особенно резко изменяется в процессе выращивания микроорганизмов глубинным способом. В зависимости от состава среды и продуктов метаболизма рН может сдвигаться как в кислую, так и в щелочную сторону. С появлением стерилизуемых электродов появилась возможность непрерывно и автоматически осуществлять в ферментаторе контроль за изменением рН среды (рисунок 5.5.2). При изменениях рН возникающий сигнал передается на прибор самописца-регулятора 3, после чего срабатывает клапан 2, обеспечивающий корректировку рН среды. Практически всегда оказывается, что достаточно добавить 10%-ну кислоту или щелочь для получения нужного рН среды. Также для корректировки рН используют растворы водонерастворимых солей – карбоната кальция, сульфата кальция или сульфата бария, Электрод 5 рН-метра может размещаться в выносном устройстве или непосредственно в корпусе ферментатора.

В системе автоматического пеногашения, разработанного Всесоюзным научно-исследовательским институтом антибиотиков (ВНИИА), высота подъема пены в ферментаторе контролируется на трех заданных уровнях, т. е. применяются три контактных электрода, которые соединяются с электронно-механическим программным устройством. При достижении пеной нижнего электрода происходит импульсная подача химического пеногасителя. Продолжительность подачи регулируется реле времени РВ1. Если пена продолжает расти и достигает среднего электрода, то через усилительУ» выключается электродвигатель мешалки на запрограммированное в реле времени РВ2 время. По окончании этой выдержки мешалка включается в работу, но если пена будет касаться первого датчика, то повторно срабатывает клапан СК1 и пеногаситель снова будет подаваться из мерника согласно реле времени РВ1. В случае подъема пены до уровня третьего аварийного датчика через усилитель Р3 срабатывает электромагнитный клапан СК2, который перекрывает выхлопную воздушную линию, при этом давление в аппарате повышается и пенообразование резко уменьшается. В результате пена опускается ниже уровня третьего датчика, клапан СК2 открывается и восстанавливается аэрация.

Основным технологическим документом, показывающим связь между биотехнологическим процессом и средствами контроля и автоматизации, является функциональная схема автоматизации, на которой с помощью условных изображений показывают технологическое оборудование, трубопроводы и средства автоматизации (см. методические указания по оформлению графической части дипломных и курсовых проектов).