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基于多参数融合的生物发酵罐系统设计2024-06-13

随着我国大力发展生物工程技术，生物发酵技术也实现了急剧发展，能够报答节造和刷新微生物出产如人的胰岛素、成长激素和滋扰素等医疗药品。微生物发酵过程是一个多参数融合的极其复杂的过程，尝试了局的成败依赖工艺参数的节造精确度，节造系统的不变运行决定着尝试的反映速度和代谢产品的质量。同时，微生物发酵尝试过程也是一个缓慢的过程，必要尝试人员长功夫监测与调整。因而，设计一款精确度高、运行靠得住并可能远程监测与节造的生物发酵罐系统是极度必要的。嵌入式系统和可编程节造器是当今最盛行的节造器，综合思考生物发酵罐的靠得住性需要，本系统选取工业节造设备可编程节造器作为主题节造器。

1 系统总体设计规划

系统选取西门子S7-1200PLC CPU1214为主节造器，如图1所示，通过传感器检测发酵罐中的温度、pH值、溶氧量等发酵过程中沉要的指标参数，通过电机、蠕动泵等执行器节造调节发酵罐中的各项指标。人机界面(HMI)通过以太网通讯，能够实时监测和节造发酵罐中的各项参数，同时利用以太网衔接GRM533YW远程�？�，将发酵罐中的参数以4G或WIFI网络发送到远程手机/平板或WEB网页中，方便尝试人员远程监测和节造发酵罐中的参数调整。

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图1 系统总体框图

2 硬件系统设计

西门子S7-1200 PLC是目前使用最宽泛的工业节造器，其优良的靠得住性和单一的编程步骤使其在工业领域拥有沉要职位。该系统选取S7-1200 PLC系列中的CPU1214C集成以太网接口，CUP带有14点集成24VDC数字量输入，10点集成数字量输出和2点集成0～10 V模仿量输入，并且带有PID节造器，拥有自动整定职能。由于发酵过程必要节造如温度、pH值和溶氧等模仿量信号，因而该系统还增长了4路模仿量输入、2路模仿量输出SM1234和4路模仿量输入SM1231扩大�？橐约癈M1241 RS485/422通讯�？�。

如图2所示，思考到发酵尝试过程中通常必要多组对照尝试，该系统设计了尝试组和对照组两组一样但独立的反映系统，选取一个节造器进行节造以削减非发酵过程中的成分影响。发酵过程中的消泡、补料、补酸和补碱泵选取RS-485通讯方式STM17S集成步进电机，如图3所示，选取两线造半双工衔接方式能够使用一台PLC主机衔接并节造多台驱动器。温度丈量选取PT100传感器和4～20 mA的导轨式温度变送器，根基无误差。pH值和溶氧(DO)选取Hamilton高精度传感器。选取盘式电热丝和循环冷却水节造发酵过程温度。选取西门子V20变频器节造三相异步电动机实现搅拌。选取MCGS触摸屏实现发酵过程的数据监控、存储与分析。选取GRM533YW通过4G/WIFI实现远程监控。

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图2 系统结构图

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图3 集成步进电机

3 系统软件设计

发酵是一个复杂的过程，涉及微生物细胞的成长和代谢，是拥有时变性、随机性和多变量输入的动态过程。PLC法式设计通过吞吐自适应PID等各类节造步骤确保发酵技术参数不变与正确，人机界面软件确保发酵过程操作单一方便，远程监控系统削减尝试人员的盯守功夫。

3.1 PLC软件设计

凭据尝试复杂多变的需要，融合生物发酵多个参数指标，补料方式设计为恒动补料、恒频补料和关联补料方式三种方式。恒动补料是能够设定恒动的流速和补料的容量，能够最大的流速不能超过1 500 mL/h; 恒频补料实现恒定的功夫补加指定容量的料液，能够设定距离的功夫(单元是min)和距离的功夫内增长容量，能够最大的流速不能超过1 500 mL/h; 关联补料是实现多段分歧流速和分歧容量的料液，能够设定起头和实现的关联功夫，设定多段分歧流速和分歧容量的距离功夫，以及每段中的流速和补料的总容量。并且能够显示在尝试起头到实现的每个蠕动泵的分歧补料方式的总补料容量，方便统计发酵过程的补料总数。

温度、pH值节造规划选取吞吐自适应PID算法，如图4所示，吞吐节造器以误差E和误差变动率EC作为输入，利用吞吐规定对PID节造器的参数Kp、Ki和Kd进行自适应整定，使被控对象维持在优良的动、静态不变状态。对于发酵反映过程的时变性和非线性较大系统，选取吞吐自适应PID相比传统的PID,节造过程矫捷不变，节造成效越发凸起。

自动搅拌过程搅拌速度融合于DO变动，通过传感器监测到DO值的变换线性关联搅拌速度，在上位机界面能够设置DO数值的上限和下限、DO与搅拌速度的关系阻尼系数、搅拌速度的上限和下限和搅拌的转数变动比例。例如，发酵工艺必要将DO节造在25%～40%的领域内，DO与搅拌速度的关系阻尼系数能够设定为30 s, 暗示DO不在设定的高低限领域内时，能够每隔30 s凭据设定的措施调整一次转速的设定值，当DO在设定领域内时，搅拌速度在设定高低限关联于设定的DO高低限。

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图4 吞吐自适应PID算法框图

3.2 人机界面设计

人机界面是尝试人员观察和调整发酵过程的窗口。本规划设计的沉要参数集中观察的主界面、温度和pH值、搅拌与DO、补料等观察数据和调整参数界面。如图5所示，在参数主页面中能够查看温度、pH值、DO、搅拌速度和泵的流量等沉要参数，能够通过单击发酵罐切换尝试组和对照组的界面。如图6所示，补料方式设计恒动补料、恒频补料和关联补料方式的设计窗口。

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图5 参数主页面

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图6 补料泵A1页面

温度和pH值设置页面如图7所示。温度值能够设定并能够显示当前温度，既可手动加热和冷却，也能够凭据设定值自动调温，并有加热和冷却状态批示灯。pH值能够设定并能够显示当前pH值，既可手动加碱和加酸，也能够凭据设定值自动调节，并有加碱和加酸状态批示灯。增长显示补碱和补酸的累计容量，方便统计尝试过程中总的补料量。增长温度和pH值实时曲线。自动节造领域：冷却水温+5～50 ℃(±0.2 ℃)显示领域：0～150 ℃。pH值显示节造：2.00～12.00(pH值±0.05)。

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图7 温度和pH设置页面

搅拌和DO设置页面如图8所示，搅拌速度能够设定并能够显示当前速度，既能够依照设定速度自动运行，也能够凭据溶氧量关联运行，并有搅拌电机和急停状态批示灯。搅拌和溶氧关联运行时，依照设定的溶氧量领域关联搅拌速度从设定的最幼速度到最大速度调节。调节速度的精度能够设置，默认是0.5 r/min。搅拌转速：变频调速领域50～800(±5 r/min);溶化氧：0～150(±2%)。

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图8 搅拌和DO设置页面

泵校准页面如图9所示，通常设按功夫输入框输入600 s, 单击“开泵”按钮，此时补料泵A1起头运行，纪录测得总的容积，填写到测得总容积输入框中，单击“校准”按钮实现校准操作。此时流量输入框中自动推算出泵的流速。同时本页面保留定量加酸和加碱职能。

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图9 泵校准页面

DO和pH电极校验页面如图10所示，将电极放在配置好的发酵罐中静止，待电极不变后，单击“校验”按钮，实现静止溶液溶氧100%的校验；将pH电极搁置到pH值为7.0的尺度液中，待数值不变后，单击“校验”按钮，实现校验，将电极擦拭干净，再将电极搁置pH值为4.01尺度液中，待数值不变后，验证pH电极校准是否正确，实现pH电极校准工作。

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图10 电极校准页面

在尝试过程中为方便分析沉要参数的趋向，设计了汗青曲线界面蕴含温度、pH值、DO、搅拌、补料A1、补料A2和碱泵补料总量，如图11所示。在汗青曲线的左下角有7个按钮，能够节造曲线控件的左翻、左翻半页、左翻四分之一页、右翻、右翻半页、右翻四分之一页和数据显示设定特定领域�；嬗也嗍�7个增长曲线按钮，能够在按钮右边输入框中输入显示当前数据曲线的最幼和最大纵坐标的领域。

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图11 汗青曲线页面

为了纪录发酵过程中的是否产生影响尝试了局的意表，设计的报警界面能够查阅发酵过程中的所有报警信息。当前报警位于上表格，汗青报警位于下表格，如图12所示。

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图12 报警页面

为试验后可能总结发酵过程的沉要参数趋向，整个尝试的沉要参数都进行了纪录，如图13所示。默认显示所有的数据，单击 “设置”按钮，能够显示设置的特定领域内的数据，数据能够通过U盘导出。

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图13 报表页面

设计温度跟踪节造，如图14所示。该系统温度能够实现多段节造及跟踪节造。单击“温控曲线”页面右下的“设定”按钮，进入“配方”页面，选择已有的“配方”,也能够编纂新的配方，满足分歧尝试温度节造要求。

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图14 温控曲线页面

3.3 远程监控软件设计

远程监控软件通过无线通讯�？镚RM530实现，其可做PLC系统的和谈转换网关，支持现场数据转发、手机APP监控、微信新闻推送报警等职能。本规划中现场监测的数据到服务器端的数据选取的GRM530无线通讯�？樽�，通讯网络能够选择4G或WIFI。报警信息通过此�？槭迪肿�，并且能够通过APP或网页监控现场的实时数据。如图15所示，使用微信报警和微信查看数据的步骤，�？楸匾∨浜骨嗍莺臀⑿疟ň澳�，在GRMDEV软件中配置短信报警，蕴含报警前提(好比PLC寄放器大于30)、报警内容，下载到�？�。必须先配置汗青报警，GRMDEV软件工程选项的根基选项里面要勾选。产生报警后，治理员微信能够收到报警信息，提醒有关尝试人员处置报警。远程监控软件除了设计微信推送报警职能表，还能够通过手机APP或网页，实现沉要参数的观察和调整等有关的节造，界面设计与触摸屏设计风格一样，如图16所示。

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图15 微信报警

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图16 远程监控主页面

4 尝试验证

为了验证发酵罐的发酵质量，选用5组发酵罐以大肠杆菌和酿酒酵母作为底盘物种，发酵产出番茄红素、β-胡萝卜素、玉米黄质、虾青素、藏红花酸。系统的温控曲线跟踪不变，pH值和溶氧指标均不变节造在尝试必要的领域。发酵产品的产量不变产率优良，如表1所示。

表1 发酵产品的产量和产率

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5 实现语

本文具体论述了一种基于可编程节造的新型发酵罐系统的设计。本系统选取工业领域的可编程节造器和越发精确的集成步进电机作为加料泵，提高系统的不变和靠得住性；本系统设计越发切合尝试要求的一拖二式的发酵罐，系统的关键参数设计了越发先进的吞吐自适应PID算法增长尝试的正确性；设计恒动补料、恒频补料、关联补料等更多样的补料方式增长尝试的矫捷性；设计的微信报警和远程监控削减尝试人员的长功夫盯守增长方便性。

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