大型DCS 系統(tǒng)在合成生物學生產(chǎn)中的應用

文/趙瑞

目前，生物合成制造產(chǎn)業(yè)整體仍面臨著核心技術不完善、產(chǎn)業(yè)化成熟度低、商業(yè)化路線不明確等挑戰(zhàn)，大大減緩了其所承諾的“綠色新未來”的到來——面臨這樣的挑戰(zhàn)，某全球領先生物工業(yè)技術公司搭建了端到端的中試平臺，打通了生物設計到規(guī)模放大再到工業(yè)生產(chǎn)的路徑，并且選擇了琺成浩鑫作為其核心工藝設備和自動化系統(tǒng)的供應商。

作為全球領先的生物合成產(chǎn)品的中試平臺，必須處理好不同客戶不同產(chǎn)品彈性生產(chǎn)的需要，針對客戶的特定需求，琺成浩鑫為本項目選用了西門子PCS7 系統(tǒng)作為本項目的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了CPU、通信總線、電源和服務器的雙重冗余，各子系統(tǒng)分別設置了操作員站，操作員站既可相對獨立，又可互為備用，安全可靠、技術先進，能夠滿足苛刻的生物產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程的控制要求，達到了行業(yè)的先進水平。系統(tǒng)提供了強大的工藝參數(shù)和流程邏輯配方彈性編輯功能，能夠滿足整個產(chǎn)線生命周期中多變的工藝需求。

以自動化技術為基礎，數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)和兩化融合是工業(yè)4.0 的核心理念，為了挖掘自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)潛力，更好地提升產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率，系統(tǒng)提供更為開放的OPC UA 數(shù)據(jù)接口，便于數(shù)字化工廠各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和集成。本項目客戶配備有尾氣分析設備，尾氣質(zhì)譜儀可以得到尾氣中水、氧氣、氮氣、氬氣、二氧化碳、氨、甲醇、乙醇等數(shù)據(jù)，在發(fā)酵過程中，尾氣組分濃度的變化反映了整個發(fā)酵過程物質(zhì)的變化情況，尤其是尾氣中的二氧化碳和氧氣的變化，可以反應出發(fā)酵狀態(tài)及菌體微觀的生長情況。發(fā)酵設備控制系統(tǒng)通過OPC UA通信協(xié)議讀取尾氣分析儀數(shù)據(jù)，結(jié)合其他分析參數(shù)計算得CER（二氧化碳釋放率）、OUR（攝氧率）和RQ（呼吸熵）等數(shù)據(jù)，通過以上數(shù)據(jù)可以對攪拌速度、補料速度、通氣量等進行調(diào)節(jié)，進而優(yōu)化發(fā)酵過程，提高發(fā)酵質(zhì)量和產(chǎn)率。

發(fā)酵尾氣分析儀可以同時采集1 路參比氣和15 個發(fā)酵罐尾氣，自動切換分析，獨立運算，將數(shù)據(jù)傳輸至服務器計算機，由計算機軟件顯示和保存分析數(shù)據(jù)。通過在線檢測尾氣及參數(shù)計算，可以簡便地判斷發(fā)酵的各個階段，對深入了解和掌握菌種的發(fā)酵規(guī)律，研究發(fā)酵工藝，對通氣量及攪拌速度等參數(shù)的合理調(diào)節(jié)有重要的指導意義。

目前該項目已經(jīng)投入正式生產(chǎn)，在24×7 的高負荷作業(yè)下，系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定，很好地滿足了該產(chǎn)線頻繁更換產(chǎn)品的需求，收獲的產(chǎn)品質(zhì)量也高于往常，全自動化的操作極大提升了產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。