需氧發酵過程控制微生物代謝節律的裝置的制作方法

專利名稱：需氧發酵過程控制微生物代謝節律的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及需氧發酵過程控制微生物代謝節律的裝置。具體地說，它涉及可以直接監測需氧生化反應的動態變量并自動控制節律代謝狀態的裝置。
歐洲專利EP0661380A2“需氧微生物培養的方法和設備”所介紹的現有技術包括方法和設備，其方法是開發一種在線測量Fed-Batch培養過程中發酵液里的菌體濃度、碳源濃度和產物濃度以及氨離子濃度的方法，根據這些測量值去計算流加速率。控制發酵液的碳源濃度和氨離子濃度。實施這個方法的設備包括一臺近紅外分光光度計和與此儀器相接的計算機以及與計算機相接的控制部件包括溫度、PH、碳源、罐壓和通風。計算機及其控制部件組成一個在線系統。每10分鐘自動取一次發酵液由近紅外分光光度計進行在線分析。在線分析的方法根據校正曲線所提供的經驗數據計算碳源濃度＝32.36+0.900×1295.2×(F-1019.0×F-165.7×F+848.3×F)谷氨酸濃度＝-4.064+1.079×(-383.2×F+1233.0×F+122.9×F-998.5×F)菌體濃度＝-1.570+0.321×(-100.1×F+71.18×F+53.83×F)氨離子濃度＝-2.817+0.856×(-846.5×F+878.6×F-15.8×F)根據在線分析的結果確定流加速率，以流加碳源為例1.當分析結果＞SV+0.2流加速率＝0.8×C源消耗速率2.SV+0.2≥分析結果＞SV+0.1流加速率＝0.9×C3.分析結果＝SV流加速率＝1×C4.SV-0.1＞分析結果≥SV-0.2流加速率＝1.1×C5.SV-0.2＞分析結果流加速率＝1.2×C碳源消耗速率C是指十分鐘前與十分鐘時的碳濃度差與時間之比現有技術有以下不足之處1.現有技術忽略了需氧微生物培養的最重要條件之一是氧的供給。事實上菌體的需氧情況在發酵前期、中期和后期是不相同的，通風量不合適會直接影響菌體的生長，因此現有技術認為pH、罐壓和通風量是基本維持在一定值而沒有通過監測菌體濃度去指導這些操作，這是整個培養方法中的最大不足之處。2.現有技術所謂的監測實際是計算機控制下每10分鐘取樣一次代替了人工每1小時取樣一次，再用近紅外分光光度計代替人工生化分析。從取樣到分析，中間存在很復雜的操作環節，現有技術未作介紹，按照生化分析的常規要求每一個樣品須做三次平行，二次重復，其結果才可信，而每次取的樣如果是放在同一容器內，則容器先須用取的樣品二次清洗，第三次充滿容器才能用來分析，如果這些操作都是在遠紅外分析儀里被自動執行則有2種可能的結果①因樣品的純度不夠造成測量誤差使每10分鐘間的控制失誤；②在線檢測的最短時間間隔大于10分鐘甚至接近1小時，與離線分析效果差不多。3.現有技術是用近紅外分光光度計作為檢測手段，在線測定菌體濃度、碳源濃度、產物濃度和氨基濃度。事實上，其中只有菌體濃度尚能連續被測，因為菌體的濃度對光的吸收較為明顯，而其它三種濃度由于溶液對光的通透性會因為培養基原材料批次差別造成的色澤改變，引起測量誤差。現有技術的檢測手段并不先進，國內技術一般用721遠紅外分光光度計分析菌體濃度和碳源濃度(3，5二硝基水楊酸法)而產酸濃度用(酶膜技術)儀器測定。4.現有技術介紹的用近紅外光光度計測出的菌體濃度實際上不能反映發酵液中菌體的活性，因為分光光度計檢測的是菌體的濁度，其中包括相當數目微生物菌代謝后的死體，所以現有設備不能真正監督和控制培養過程中的微生物生長情況。
本實用新型的目的是提供一套裝置，適用于需氧發酵過程，是能夠在線檢測微生物菌的生化反應活力，并且激勵微生物對碳，氮，氧的攝取，促進菌體生長、代謝和排泄的具有高效益而低成本的自動監測控制裝置。本裝置把在線檢測、自動控制與離線分析，人工優化操作有機地結合起來，通過在線監測二個主要變量CO2和pH，直接把這2種反映微生物代謝活力的動態量組成反饋控制回路，并且直接關聯各種操作，包括通氣量、溫度、流加氮源、流加碳源、流加生物素，使培養過程中2種動態量處于最佳節律狀態。實時在線地呈現菌體的培養狀況，使操作人員在圖示趨勢的指導下進行優化操作，大大提高了產出率和發酵強度(即單位體積發酵設備的產出率)，便于工業化推廣應用。本實用新型的優點或積極效果1.提高單位體積發酵罐的發酵強度0.1-0.2；2.提高產酸率5-10％；3.縮短發酵周期，節約原材料和節約電、水、能量折合為平均每批次降低成本5％。
本實用新型具體的解決方案為控制微生物代謝節律的裝置，該裝置包括傳感器儀表1、控制箱2、計算機3、驅動執行機構4；其中，傳感器儀表1一端與發酵罐體相連，另一端與控制箱2連接，控制箱2與計算機3相連接，計算機3與驅動執行機構相連接，驅動執行機構與發酵罐體相連接。


圖1為本實用新型的結構總框圖。圖2為本實用新型在谷氨酸生產150M3發酵罐上的應用實例1和實例2。圖3為應用實例1的在線控制實時圖形。圖4為應用實例1發酵狀態離線分析結果。圖5為應用實例2的在線控制實時圖形。圖6為應用實例2發酵狀態離線分析結果。圖7未采用本實用新型和控制方法的150M3發酵罐的設備比較例。圖8比較例的在線控制圖形。圖9比較例的發酵狀態離線分析結果。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明
一種需氧發酵過程控制微生物代謝節律的裝置，該裝置包括傳感器儀表1、控制箱2、計算機3、驅動執行機構4；其中，傳感器儀表1一端與發酵罐體相連，另一端與控制箱2連接，控制箱2再與計算機3相連接，計算機3與驅動執行機構4相連接，驅動執行機構4再與發酵罐體相連接。詳細結構為傳感器儀表部分包括溫度傳感器5、溫度變送器6、PH電極7、PH變送器8、空氣過慮器9、CO2紅外氣體分析儀10；其中，溫度傳感器5與溫度變送器6相連接，PH電極7與PH變送器8相連接，空氣過慮器9與CO2紅外氣體分析儀10相連接；溫度傳感器5、PH電極7、空氣過慮器9分別與發酵罐體相連接。控制箱部分包括電源11、通信卡12、信號調理電路13、接口卡14；其中，電源11分別與通信卡12、信號調理電路13相連接，通信卡12、信號調理電路13分別與接口卡14相連接；接口卡14由模/數轉換、數/模轉換、數字輸入/輸出三部分組成；信號調理電路13分別與溫度變送器6、PH變送器8、CO2紅外氣體分析儀10相連接。計算機部分包括微處理器15、圖形數字打印機16、顯示器17、存儲器18；其中，微處理器15的輸出分別與圖形數字打印機16、顯示器17、存儲器18相連接；微處理器15的輸入分別與通信卡12、接口卡14相連接。驅動執行機構部分包括驅動電路繼電器19、用于流加氣氨的閥門20、用于流加糖的閥門21；其中，驅動電路繼電器19分別與兩閥門20、21相連接，驅動電路繼電器19與接口卡14相連接，兩個閥門20、21分別與發酵罐體相連接。本實用新型的總體結構框圖如
圖1所示。本裝置由四部分組成1.儀表與傳感器；2.控制機箱；3.計算機；4.驅動與執行機構。各部分的具體結構介紹如下1.傳感器與儀表。主要的傳感器有溫度傳感器及耐高溫消毒的pH電極。主要的儀表包括溫度變送器、pH變送器和CO2紅外氣體分析儀，其中CO2儀的輸入是從發酵罐的引出端用10mm氧氣管通過調節節門聯接過濾器，過濾器內充滿干燥劑，防止發酵液逃液水汽進入紅外分析儀，同時通過閥門調節尾氣輸出量使氣流量適合紅外分析儀的量程范圍，尾氣引出管在消毒周期須關閉節門防止蒸氣進入氧氣管。2.控制箱。機箱內安裝PC/AT總線插槽，槽上主要部件包括(1)開關電源±5V，±12V提供控制系統所需電壓和驅動電流；(2)通信卡。由帶纜連接的接收卡和發送卡，分別安裝在控制箱和計算機內使PC總線從PC機內引出數米遠，便于調試和維修，避免信號干擾。(3)信號調理電路。接收從儀表盤輸到控制箱來的各路檢測信號，經過隔離，電流/電壓轉換，放大和阻抗匹配，輸出0～5V的模擬信號。(4)接口卡。包括模/數轉換、數/模轉換、數字輸入/輸出三部分。在計算機控制下通過本接口對發酵過程的參數進行檢測與控制。3.計算機。由微處理器、圖形數字打印機、顯示器、存儲器組成。(1)微處理器。運行多變量控制算法程序，被檢測的各路信號每一個數字信號送到計算機進行數據處理，包括數字量/物理量變換計算，pH控制閾值計算，CO2與pH相關關系計算等。(2)圖形、數字輸出打印機。可以隨時在線打印發酵過程中的每一幅圖形和數據，用作現場指導與以后的數據分析，作為資料檔案。(3)顯示器。顯示5種畫面，在發酵過程中可以根據需要任意選擇①總貌圖所有進行檢測的參數的實時在線值排列在同一表格內使操作人員一目了然。②儀表圖顯示各個參數的儀表模擬畫面，包括各路檢測參數的上下量程，設定值、測量值、閥位值、回路狀態、閥門開度等，使測量控制值直觀且可進行比較。③調整畫面在線跟蹤各參數的實時檢測值以及控制回路的設定值、閥位值與參數變化趨勢曲線，對發酵過程中改變操作條件起關鍵指導作用。④工藝流程圖顯示發酵罐的形體結構，檢測點閥門的安裝位置、流加、取樣和液位位置，及管道配套設施等等。⑤報警記錄此畫面記錄運行過程中所發生的對檢測和控制有影響的各個操作，如修改優化參數設定值上限報警及下限報警的時刻，對監督工藝的執行起重大作用。(4)存儲器。①離線量的貯存在發酵過程中每隔2小時進行取樣分析的三個生化參數(菌體濃度、殘糖濃度和產物濃度)，作為優化節律的參考值。
②在線量的貯存，所有檢測信號包括數字、物理、圖象信息分別存入不同的文件歸檔。4.驅動和執行機構。當CO2檢測值低于設定值時，微處理器判斷確定相應的操作，同時發出脈沖信號打開驅動電路使流加氮源繼電器閉合。執行機構包括自動控制閥與人工手操閥①自動閥包括調節閥和電磁閥，其中總風量控制、流加糖控制采用氣動調節閥包括調節閥手操器，電氣閥門定位器和空氣過濾減壓器。pH控制采用電磁閥，用于流加液氨/氣氨。②人工手操閥在閥門開度大、調節度不大的情況下調節閥改用手操。
本實用新型在線監測需氧微生物菌在接種以后的整個培養過程中CO2數值的變化，根據實時圖形顯示的CO2軌跡趨勢結合每2小時離線分析的菌體濃度，采取不同的控制方法。在培養開始以后的6小時內，以提高通氣量為主要控制手段。當發酵培養液中碳源和生物素高的情況下，氧的及時供應能夠促使微生物菌增殖速度直線上升。從培養開始直到發酵罐中碳源基本耗完的整個周期內，改變pH設定值，控制pH和CO2的變化趨勢呈同步反相的周期性振蕩狀態。微生物菌的代謝節律是由pH和CO2的振蕩周期和振蕩幅度組成的。CO2和pH構成主回路(1)的輸出和輸入，通過流加氨進行反饋控制。
振蕩周期通過pH控制器確定，控制算法如下pH周期＝n×[調節率％×(pH上限控制量-pH下限控制量)]調節率的大小根據微生物菌對氨離子的吸收能力而確定，調節率越大CO2的振蕩周期越大。其它與主回路直接耦合的回路包括通風回路(2)，流加生物素回路(3)和流加碳源回路(4)，不直接耦合，但通過CO2改變溫度設定值的溫度控制回路(5)。
振蕩幅值與各控制回路有關。發酵開始后前期(約0～6小時)提風保證菌體所需氧量保持CO2達到最大濃度，后期(24小時～32小時)降風維持菌體在一定的代謝活力，發酵前期當CO2達不到設定值時，通過補充生物素提高微生物的活力，發酵中期(16小時后)根據CO2的振蕩幅度流加碳源。計算機除了存儲在線檢測量也有存儲各批發酵的每2小時取樣的離線分析量，作為各回路控制的參考。
根據不同的微生物菌控制CO2在前、中、后三階段的振蕩周期和振蕩幅值，使各批次發酵工藝穩定并且基本上可以重復。實用新型的應用本實用新型是一套用來控制微生物代謝節律的設備，適合于各種需氧發酵過程。本設備直接監測需氧微生物培養過程中菌體的代謝活力，控制菌體代謝處于一定節律的振蕩狀態，每半分鐘顯示一次被測pH和CO2值，被描繪成趨勢圖形，使操作人員能夠直觀而方便地觀察到培養過程，及時、準確地進行定量操作，使本來盲目、被動的培養過程變為明確而主動，使復雜的代謝過程簡化為定量而可重復，在提高產出率的同時縮短了發酵周期，特別適合于工業化發酵生產。應用實例(2個實例，1個比較例)1.發酵生產谷氨酸與150M3攪拌發酵設備配套的設備如圖2所示微生物菌SF119短桿菌發酵罐 150M3攪拌罐成分 濃度培養基配方 淀粉水解糖 16.07％
0.1～1.2％硫酸鎂 0.06～0.07％玉米漿 0.43％糖蜜 0.04％氯化鉀 0.1％控制條件 溫度三級 35℃～37℃～39℃罐壓 0.7MPa風量設定 三級提風 700→1100→1500→1800三級降風 →1600→1500→1300pH設定 7.2→7.3→7.2→7.1→7.0攪拌速度 150轉/分停止發酵條件 殘糖＜0.6％發酵周期 30小時流加糖量 3.53％主發酵罐內培養基經消毒(140℃)40分鐘，冷卻后從種子罐接入SF119菌液開始培養。圖2所示為150M3發酵罐上裝備的發酵代謝節律控制裝置，其中在線檢測量為溫度、pH、CO2。離線檢測信號為菌體濃度，殘糖濃度和谷氨酸濃度。控制箱內的主要輸入和輸出信號模擬輸入量為pH，排氣CO2模擬輸出量為流加糖調節閥數字輸入量為上罐信號、下罐信號及各種階段特征標志信號數字輸出量為氣氨/液氨流加電磁閥在谷氨酸發酵過程中微處理器完成的各項動作包括1.用硬件定時中斷功能實現前臺操作和后臺處理，前臺主要進行人機界面處理，如鍵入離線分析的三種狀態，進行預報估計運算等。后臺主要完成實時采集數據和進行反饋控制。2.隨時進行設定值調整使前、中、后階段CO2都被控制在最優節律狀態。3.建立控制回路內部相關參數的聯接，順序執行多變量控制算法程序進行過程自動控制。4.設置人工或自動狀態，在自動狀態各設定值自動根據CO2的控測結果進行刷新。150M3谷氨酸發酵過程設備工作狀態如下所述培養前期培養中期 培養后期pH調節度(ΔpH) 0.1 0.1 0.1二氧化碳濃度 CO2＞8％ 6％＜CO2＜8％ CO2＜6％控制回路(1)CO2與pH的回路設定值pH CO2定時(小時)7.4 8％＜CO2＜13％ 0＜t＜127.2 8％＜CO2＜10％ 12＜t＜247.1 5％＜CO2＜8％ 24＜t＜287.0 CO2＜5％28＜t＜30
6.9 0＜CO2＜5％30＜t＜32控制回路(2)通風量與CO2之間的關系(用人工調節閥門)通風量(米3/小時)CO2含量定時(小時)700 CO2＝0 t＝01100CO2＞4％ t＜815004％＜CO2＜12％ t＜81800CO2≥12％ t＜816009％《CO2＜12％ t＞2415005％＜CO2＜19％ t＞2413002％CO2＜5％t＞24控制回路(3)本批發酵未加生物素，因為離線分析的菌體濁度6小時已經達到凈增＞0.6kh/l。同時CO2限幅達到12％，說明菌體數和發育情況良好不用再加生物素。控制回路(4)流加糖控制 殘糖含量 CO2含量(計量罐輸出量) S≤3.6％ 5％＜CO2＜8％24.4％糖液5.5噸4噸 S≤2.6％ 5％＜CO2＜8％3噸 S≤1.6％ 5％＜CO2＜8％本批發酵產酸率10％，轉化率60.8％，發酵周期30小時控制節律如圖3所示，谷氨酸發酵過程的三種離線狀態分析結果如圖4所示2.應用實例(谷氨酸發酵例二)如圖2所示本例所有各種條件與例一相仿，所不同的是控制(1)的pH閾值如下發酵前期發酵中期 發酵后期pH調節度 0.2 0.20.15二氧化碳濃度 CO2＞8％ 4％＜CO2＜8％ CO2＜6％發酵結果產酸率9.21％，轉化率58.％，發酵周期32小時。實例2比實例1的周期長了2個小時，產酸率和轉化率對應點都低一些，說明該菌株的代謝節律周期小一些較合適，控制節律如圖5所示，狀態分析結果如圖6所示。3.比較例(谷氨酸發酵)150噸攪拌罐的裝備情況如圖7所示本例所有各種條件與例1.例2.相仿，所不同的是沒有進行代謝振蕩節律的自動控制，而是根據CO2的變化趨勢人工調節生物素、流加糖和流加液氨，控制pH在適當值，其在線控制的圖形如圖8所示。發酵結果如圖9所示。產酸率8.6％，轉化率57％，周期32小時。
權利要求1.一種需氧發酵過程控制微生物代謝節律的裝置，其特征在于該裝置包括傳感器儀表1、控制箱2、計算機3、驅動執行機構4，該裝置與發酵罐的連接關系為傳感器儀表1一端與發酵罐體相連，另一端與控制箱2連接，控制箱2與計算機3相連接，計算機3與驅動執行機構相連接，驅動執行機構再與發酵罐體相連接。
2.根據權利要求1所述的一種需氧發酵過程控制微生物代謝節律的裝置，其結構為傳感器儀表部分包括溫度傳感器5、溫度變送器6、PH電極7、PH變送器8、空氣過慮器9、CO2紅外氣體分析儀10；其中，溫度傳感器5與溫度變送器6相連接，PH電極7與PH變送器8相連接，空氣過慮器9與CO2紅外氣體分析儀10相連接；溫度傳感器5、PH電極7、空氣過慮器9分別與發酵罐體相連接。控制箱部分包括電源11、通信卡12、信號調理電路13、接口卡14；其中，電源11分別與通信卡12、信號調理電路13相連接，通信卡12、信號調理電路13分別與接口卡14相連接；接口卡14由模/數轉換、數/模轉換、數字輸入/輸出三部分組成；信號調理電路13分別與溫度變送器6、PH變送器8、CO2紅外氣體分析儀10相連接。計算機部分包括微處理器15、圖形數字打印機16、顯示器17、存儲器18；其中，微處理器15的輸出分別與圖形數字打印機16、顯示器17、存儲器18相連接；微處理器15的輸入分別與通信卡12、接口卡14相連接。驅動執行機構部分包括驅動電路繼電器19、用于流加氣氨的閥門20、用于流加糖的閥門21；其中，驅動電路繼電器19分別與兩閥門20、21相連接，驅動電路繼電器19與接口卡14相連接，兩個閥門20、21分別與發酵罐體相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種在需氧發酵過程中控制微生物代謝節律的裝置，該裝置包括傳感器、控制箱、計算機、驅動執行機構。其特征在于本裝置能夠直接監測微生物菌的代謝活力、顯示其動態趨勢，在線控制菌體的代謝在一定節律的振蕩狀態。達到的效果是激勵菌體對培養液中的碳，氮，氧的充分吸收，保持最佳碳源消耗速率和產物生成速率，本裝置具有成本低、效率高等優點。
文檔編號C12M1/36GK2270732SQ96223048
公開日1997年12月17日 申請日期1996年9月19日 優先權日1996年9月19日
發明者錢梓文, 李華, 黃永曦 申請人:中國科學院化工冶金研究所