液態培養基溶解氧含量的控制分析

文 琦，田 明，何佳融，李秋實

（1.長春理工大學 光電工程學院 光電工程國家級實驗教學示范中心，長春 130022；2.吉林省計量科學研究院 吉林省計量測試儀器與技術重點實驗室，長春 130103）

0 引言

發酵在藥品、食品等行業的生產過程中是必不可少的環節，而溶氧量對微生物的發酵過程又是非常重要的。在發酵過程中，液態培養基中的溶解氧參與菌體生長、產物形成并維持細胞代謝活動，不同階段所需要的氧含量又有區別。在發酵的整個過程中，實時監控發酵液中的氧含量并將其反饋到控制系統，使控制系統做出相關調節是非常重要的[1]。

發酵是一個復雜的過程，具有嚴重的非線性、不確定性和時變性的特點，這就使得常規的控制方案很難達到控制要求。早期人們對發酵過程中溶解氧的控制大多以經驗為主，對溶解氧等參數的控制策略都是基于離線分析的數據信息得出的，這種方法往往不能反映當前生物的發酵狀態，具有極大的滯后性，從而影響發酵的過程[5]。后期人們提出模糊控制的方法，但也存在一定的缺點，比如穩態精度不高、模糊量化不好確定、模糊規則的主觀性等[2]。本文針對液態培養基中溶解氧含量的控制問題，提出了一種自動調節溶解氧含量的多參數關聯控制方法。這種方法能夠很好的提高系統穩定性和控制精度，使生產質量得以保證。

1 系統工作原理

在有氧微生物發酵過程中，導致液態培養基中溶解氧含量減少的原因主要是微生物自身的消耗。但是在微生物發酵過程中的不同階段加入適當的添加劑，比如在胰島素發酵過程中加入甲醇水溶液，即可提升胰島素的產量，但同時也會導致液態培養基中的溶解氧含量急劇下降。一般情況下，能夠提升液態培養基中溶解氧含量的方式有三種：一是增加攪拌電機的轉速，在條件允許的情況下，增加攪拌電機的轉速不僅可以提高液態培養基表面溶解氧含量進而增加整個培養基溶解氧含量，也能更大程度的擊碎通入氣體產生的氣泡，從而增加液態培養基中的溶解氧含量；二是增加無菌空氣通入量，直接提供大量空氣，進而增加液態培養基的溶解氧含量；三是增大壓強，通過關閉氣體排出口閥門使發酵罐內的氣體壓力保持在300kPa（發酵罐設計使用的極限壓力），進而增加液態培養基中的溶解氧含量[3]。

在發酵過程中，用戶可根據微生物在不同發酵階段對氧氣的需求量不同，在人機交互界面設定適宜微生物發酵的溶解氧含量。溶氧傳感器測得液態培養基溶解氧含量數據后，經信號隔離器傳送給PLC控制器，PLC把接收到的溶解氧含量的數據信息按照用戶設定的比例、積分、微分參數進行PID控制計算，運算結果以百分比的形式輸出。系統提供了攪拌電機轉速、氣體通入量、罐內壓力三個參數與溶解氧相關聯，根據用戶自定義的關聯范圍進行PID計算，PLC控制器根據計算結果給出相應的執行動作。圖1所示是溶氧控制原理結構圖。

圖1 溶氧控制原理結構圖

2 溶解氧控制系統

2.1 溶解氧控制系統設計方案

為了提高發酵過程中溶解氧控制精度，本文提出了一種“多參數關聯控制”的調節方式。溶解氧的控制包含三個關聯循環：攪拌電機轉速、空氣通入量以及罐體內壓力。關聯控制的原理流程圖如圖2所示。

圖2 原理流程圖

系統將當前的溶解氧設定值與采集值按照預設的PID調節算法進行計算得到一個百分比的計算結果，當此計算結果小于第一關聯范圍最小值時，系統不做調節；當計算結果介于第一關聯的范圍內時，系統按照線性比例關系調節攪拌電機轉速；當計算結果介于第二關聯的范圍時，第一關聯的電機轉速輸出最大值并且按照線性比例關系調節空氣通入量的大??；當計算結果介于第三關聯時，第一第二關聯均輸出最大值且按照線性比例關系調節罐內壓力的大小；當計算結果大于第三關聯時，三個關聯參數均輸出最大值。攪拌電機轉速、空氣通入量和罐體內壓力三種參數設置示例如表1所示。

表1 關聯控制參數設置示例

如上表所示，假設攪拌電機轉速范圍是0～600RPM，空氣通入量為0～300L/min，罐內壓力范圍0～400kPa，則當PID輸出為50%時，溶解氧控制系統的輸出為：第一關聯：600×80%=480RPM，即攪拌電機轉速為480RPM。第二關聯：[（50%-40%）/（70%～40%）×（50%～10%）+10%]×300=70L/min。即氣體通入量為70L/min。第三關聯：罐內壓力不作調節，即為常壓。

2.2 數據采集與控制、執行單元

分析基于PLC的溶解氧控制系統的控制要求、傳感設備輸出信號的特性以及現場控制設備的工作特征，對S7-200 Smart系列PLC的控制器、模擬量的輸入/輸出模塊、人機交互設備、三相交流變頻器與氣體質量流量計等進行了選型，如表2所示。

表2 系統配置表

該系統配置提供了12路的數字量輸入通道、8路的數字量輸出通道、4路模擬量輸入通道、2路模擬量輸出通道。

根據系統需要具備的功能，對PLC進行I/O口分配，系統需要控制的變量有：攪拌電機的起停、出氣閥門的開閉、溶氧量測量、質量流量計的通氣量和電機的攪拌速度。I/O口分配如表3所示。

表3 系統I/O口分配表

3 系統控制軟件實現方法

3.1 溶解氧的PID控制程序實現

PID回路指令（比例、積分、微分回路）由 PLC控制器提供，用于執行PID計算。在穩態運行中，PID的計算公式為：

其中：M(t)為回路輸出（時間函數）；KC為回路增益；e為回路偏差；Minitial為回路輸出的初始值。

將連續函數量化為偏差值的周期采樣且由于控制單元的解決方案具有重復性，因此可以簡化在任何采樣時間都必須求解的方程。簡化后的方程為：

其中：Mn為采樣時間n時回路輸出的計算值；KC為回路增益；en為采樣時間n時的回路偏差值；en-1為前一回路偏差值（采樣時間n-1時）；KI為積分項的比例常量；MX為第一積分項值（采樣時間n-1時）；KD為微分項的比例常量?？刂破魇褂靡陨虾喕匠痰母倪M方程計算回路輸出值。

S7-200 Smart系列下的SR20提供了8路PID運算回路，此系統選擇第2路PID控制回路，編號為1。因為溶解氧傳感器為4～20mA輸出，所以由設置向導生成的PID控制子程序如圖3所示。系統調用PID運算且將結果轉化為0～100%區間的主程序如圖4所示。

圖3 PID控制子程序

圖4 PID調節部分主程序

3.2 溶解氧的“關聯控制”程序實現

溶解氧的控制采用攪拌電機、進氣閥、出氣閥三者關聯的方法實現，系統預置每種關聯所對應的PID輸出的最小值Min和最大值Max，在設備運行過程中，實際PID輸出結果與預置值比較，使相應器件動作。每種關聯控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 關聯控制程序流程圖

4 數據分析處理

本文以200L發酵罐為例進行溶解氧關聯過程的實

【】【】驗。其中，攪拌電機的轉速范圍為0～288RPM，質量流量計的通氣量范圍為0～200L/min，發酵罐承受壓力范圍為0～4bar。實驗過程中，引入了一種溶解氧消耗方式：在發酵過程中加入刺激微生物呼吸作用的甲醇水溶液。在實驗過程時，打開溶解氧關聯，設置溶解氧保持范圍為20%～40%之間，每隔十分鐘對三個關聯參數和溶解氧含量進行記錄，得到實驗數據如表4所示。

表4 實驗數據表

由實驗數據可知，由于甲醇溶液的添加，罐體內溶解氧含量逐漸下降，當溶解氧含量下降到一定程度時，攪拌電機轉速逐漸加快，當達到關聯輸出最大值時，質量流量計逐漸打開向罐體通入空氣，隨著溶解氧含量的增加，質量流量計關閉，攪拌電機轉速降低，進而將溶解氧含量維持在設定范圍內。為了更加直觀的顯示關聯變量變化過程與溶解氧的關系，繪制曲線圖如下：

圖6 溶解氧含量變化曲線圖

從圖中可以看出，隨著甲醇溶液的不斷加入，罐體內溶解氧含量持續下降，隨著溶解氧含量的下降，系統會根據溶解氧的預設值進行關聯控制調節，使得罐體溶解氧保持在20%～40%之間。

5 結論

實驗表明，采用了“多參數關聯控制”的液態培養基溶解氧含量控制系統，在結合了攪拌電機轉速、空氣通入量以及罐體內壓力后，對溶解氧含量具有很好的調節能力。通過實驗和實驗數據分析，該系統能夠有效的將溶解氧控制在設定范圍內。

參考文獻：

[1]歐國徽.基于嵌入式的發酵過程控制系統的研究與應用[D].江蘇:江南大學,2012.

[2]張夙夙.溶氧對氨基酸發酵的影響及其控制[J].安徽農學通報,2014,20(12):25-27.

[3]朱惠蓮,葉凱.基于PLC的生物發酵控制系統的開發與應用[J].機電技術,2009,(1):3-5.

[4]陸兵,薄翠梅,楊世品,黃慶慶,牛超.基于PLC的微生物通用式發酵裝置控制系統設計[J].制造業自動化,2015,(37):40-42.

[5]李澤福.葡萄酒生產過程溶解氧管控工藝研究[D].山東:齊魯工業大學,2015.

[6]戴亮.PC-PLC控制系統設計[D].上海:華東師范大學,2011.