液态培养基溶解氧含量的控制分析

文 琦，田 明，何佳融，李秋实

（1.长春理工大学 光电工程学院 光电工程国家级实验教学示范中心，长春 130022；2.吉林省计量科学研究院 吉林省计量测试仪器与技术重点实验室，长春 130103）

0 引言

发酵在药品、食品等行业的生产过程中是必不可少的环节，而溶氧量对微生物的发酵过程又是非常重要的。在发酵过程中，液态培养基中的溶解氧参与菌体生长、产物形成并维持细胞代谢活动，不同阶段所需要的氧含量又有区别。在发酵的整个过程中，实时监控发酵液中的氧含量并将其反馈到控制系统，使控制系统做出相关调节是非常重要的[1]。

发酵是一个复杂的过程，具有严重的非线性、不确定性和时变性的特点，这就使得常规的控制方案很难达到控制要求。早期人们对发酵过程中溶解氧的控制大多以经验为主，对溶解氧等参数的控制策略都是基于离线分析的数据信息得出的，这种方法往往不能反映当前生物的发酵状态，具有极大的滞后性，从而影响发酵的过程[5]。后期人们提出模糊控制的方法，但也存在一定的缺点，比如稳态精度不高、模糊量化不好确定、模糊规则的主观性等[2]。本文针对液态培养基中溶解氧含量的控制问题，提出了一种自动调节溶解氧含量的多参数关联控制方法。这种方法能够很好的提高系统稳定性和控制精度，使生产质量得以保证。

1 系统工作原理

在有氧微生物发酵过程中，导致液态培养基中溶解氧含量减少的原因主要是微生物自身的消耗。但是在微生物发酵过程中的不同阶段加入适当的添加剂，比如在胰岛素发酵过程中加入甲醇水溶液，即可提升胰岛素的产量，但同时也会导致液态培养基中的溶解氧含量急剧下降。一般情况下，能够提升液态培养基中溶解氧含量的方式有三种：一是增加搅拌电机的转速，在条件允许的情况下，增加搅拌电机的转速不仅可以提高液态培养基表面溶解氧含量进而增加整个培养基溶解氧含量，也能更大程度的击碎通入气体产生的气泡，从而增加液态培养基中的溶解氧含量；二是增加无菌空气通入量，直接提供大量空气，进而增加液态培养基的溶解氧含量；三是增大压强，通过关闭气体排出口阀门使发酵罐内的气体压力保持在300kPa（发酵罐设计使用的极限压力），进而增加液态培养基中的溶解氧含量[3]。

在发酵过程中，用户可根据微生物在不同发酵阶段对氧气的需求量不同，在人机交互界面设定适宜微生物发酵的溶解氧含量。溶氧传感器测得液态培养基溶解氧含量数据后，经信号隔离器传送给PLC控制器，PLC把接收到的溶解氧含量的数据信息按照用户设定的比例、积分、微分参数进行PID控制计算，运算结果以百分比的形式输出。系统提供了搅拌电机转速、气体通入量、罐内压力三个参数与溶解氧相关联，根据用户自定义的关联范围进行PID计算，PLC控制器根据计算结果给出相应的执行动作。图1所示是溶氧控制原理结构图。

图1 溶氧控制原理结构图

2 溶解氧控制系统

2.1 溶解氧控制系统设计方案

为了提高发酵过程中溶解氧控制精度，本文提出了一种“多参数关联控制”的调节方式。溶解氧的控制包含三个关联循环：搅拌电机转速、空气通入量以及罐体内压力。关联控制的原理流程图如图2所示。

图2 原理流程图

系统将当前的溶解氧设定值与采集值按照预设的PID调节算法进行计算得到一个百分比的计算结果，当此计算结果小于第一关联范围最小值时，系统不做调节；当计算结果介于第一关联的范围内时，系统按照线性比例关系调节搅拌电机转速；当计算结果介于第二关联的范围时，第一关联的电机转速输出最大值并且按照线性比例关系调节空气通入量的大小；当计算结果介于第三关联时，第一第二关联均输出最大值且按照线性比例关系调节罐内压力的大小；当计算结果大于第三关联时，三个关联参数均输出最大值。搅拌电机转速、空气通入量和罐体内压力三种参数设置示例如表1所示。

表1 关联控制参数设置示例

如上表所示，假设搅拌电机转速范围是0～600RPM，空气通入量为0～300L/min，罐内压力范围0～400kPa，则当PID输出为50%时，溶解氧控制系统的输出为：第一关联：600×80%=480RPM，即搅拌电机转速为480RPM。第二关联：[（50%-40%）/（70%～40%）×（50%～10%）+10%]×300=70L/min。即气体通入量为70L/min。第三关联：罐内压力不作调节，即为常压。

2.2 数据采集与控制、执行单元

分析基于PLC的溶解氧控制系统的控制要求、传感设备输出信号的特性以及现场控制设备的工作特征，对S7-200 Smart系列PLC的控制器、模拟量的输入/输出模块、人机交互设备、三相交流变频器与气体质量流量计等进行了选型，如表2所示。

表2 系统配置表

该系统配置提供了12路的数字量输入通道、8路的数字量输出通道、4路模拟量输入通道、2路模拟量输出通道。

根据系统需要具备的功能，对PLC进行I/O口分配，系统需要控制的变量有：搅拌电机的起停、出气阀门的开闭、溶氧量测量、质量流量计的通气量和电机的搅拌速度。I/O口分配如表3所示。

表3 系统I/O口分配表

3 系统控制软件实现方法

3.1 溶解氧的PID控制程序实现

PID回路指令（比例、积分、微分回路）由 PLC控制器提供，用于执行PID计算。在稳态运行中，PID的计算公式为：

其中：M(t)为回路输出（时间函数）；KC为回路增益；e为回路偏差；Minitial为回路输出的初始值。

将连续函数量化为偏差值的周期采样且由于控制单元的解决方案具有重复性，因此可以简化在任何采样时间都必须求解的方程。简化后的方程为：

其中：Mn为采样时间n时回路输出的计算值；KC为回路增益；en为采样时间n时的回路偏差值；en-1为前一回路偏差值（采样时间n-1时）；KI为积分项的比例常量；MX为第一积分项值（采样时间n-1时）；KD为微分项的比例常量。控制器使用以上简化方程的改进方程计算回路输出值。

S7-200 Smart系列下的SR20提供了8路PID运算回路，此系统选择第2路PID控制回路，编号为1。因为溶解氧传感器为4～20mA输出，所以由设置向导生成的PID控制子程序如图3所示。系统调用PID运算且将结果转化为0～100%区间的主程序如图4所示。

图3 PID控制子程序

图4 PID调节部分主程序

3.2 溶解氧的“关联控制”程序实现

溶解氧的控制采用搅拌电机、进气阀、出气阀三者关联的方法实现，系统预置每种关联所对应的PID输出的最小值Min和最大值Max，在设备运行过程中，实际PID输出结果与预置值比较，使相应器件动作。每种关联控制程序流程图如图5所示。

图5 关联控制程序流程图

4 数据分析处理

本文以200L发酵罐为例进行溶解氧关联过程的实

【】【】验。其中，搅拌电机的转速范围为0～288RPM，质量流量计的通气量范围为0～200L/min，发酵罐承受压力范围为0～4bar。实验过程中，引入了一种溶解氧消耗方式：在发酵过程中加入刺激微生物呼吸作用的甲醇水溶液。在实验过程时，打开溶解氧关联，设置溶解氧保持范围为20%～40%之间，每隔十分钟对三个关联参数和溶解氧含量进行记录，得到实验数据如表4所示。

表4 实验数据表

由实验数据可知，由于甲醇溶液的添加，罐体内溶解氧含量逐渐下降，当溶解氧含量下降到一定程度时，搅拌电机转速逐渐加快，当达到关联输出最大值时，质量流量计逐渐打开向罐体通入空气，随着溶解氧含量的增加，质量流量计关闭，搅拌电机转速降低，进而将溶解氧含量维持在设定范围内。为了更加直观的显示关联变量变化过程与溶解氧的关系，绘制曲线图如下：

图6 溶解氧含量变化曲线图

从图中可以看出，随着甲醇溶液的不断加入，罐体内溶解氧含量持续下降，随着溶解氧含量的下降，系统会根据溶解氧的预设值进行关联控制调节，使得罐体溶解氧保持在20%～40%之间。

5 结论

实验表明，采用了“多参数关联控制”的液态培养基溶解氧含量控制系统，在结合了搅拌电机转速、空气通入量以及罐体内压力后，对溶解氧含量具有很好的调节能力。通过实验和实验数据分析，该系统能够有效的将溶解氧控制在设定范围内。

参考文献：

[1]欧国徽.基于嵌入式的发酵过程控制系统的研究与应用[D].江苏:江南大学,2012.

[2]张夙夙.溶氧对氨基酸发酵的影响及其控制[J].安徽农学通报,2014,20(12):25-27.

[3]朱惠莲,叶凯.基于PLC的生物发酵控制系统的开发与应用[J].机电技术,2009,(1):3-5.

[4]陆兵,薄翠梅,杨世品,黄庆庆,牛超.基于PLC的微生物通用式发酵装置控制系统设计[J].制造业自动化,2015,(37):40-42.

[5]李泽福.葡萄酒生产过程溶解氧管控工艺研究[D].山东:齐鲁工业大学,2015.

[6]戴亮.PC-PLC控制系统设计[D].上海:华东师范大学,2011.