SY3000 發(fā)酵罐操作使用說明(修訂版)

1、SY3000發(fā)酵罐操作使用說明（2007修訂版）上海世友信息技術有限公司上海世遠生物設備工程有限公司上海交大工業(yè)自動化工程研究中心2007年 01 月 20 日SY3000 發(fā)酵罐操作使用說明（2007修訂版）目 錄0、 SY-3000發(fā)酵罐滅菌與發(fā)酵的簡要操作步驟一、 SY-3000發(fā)酵罐配套設備要求二、 系統(tǒng)的安裝及連接2.1 基礎安裝及電源連接2.2 蒸汽連接2.3 水管的連接2.4 空氣連接2.5 廢水及廢氣連接2.6 SY-3000發(fā)酵罐系統(tǒng)的操作步驟三、 生物發(fā)酵過程滅菌與發(fā)酵的操作步驟3.1 發(fā)酵罐相關管路與閥門 3.2 蒸汽滅菌操作過程1、 開機2、 滅菌前準備工作3、 蒸汽滅

2、菌1) 發(fā)酵罐蒸汽滅菌2) 空氣過濾器、空氣管道及空氣分布器滅菌3) 出料取樣閥蒸汽滅菌4、 滅菌結束與降溫3.3 發(fā)酵過程的接種1、 接種2、 控制罐壓保持在0.05Mpa左右3、 通過控制面板將轉速、pH等由手動切換為自動控制四、 發(fā)酵過程的測量與控制4.1 溫度的測量與控制1、 溫度的測量與變送2、 發(fā)酵罐內發(fā)酵液溫度的分程控制3、 溫度智能PID控制算法4、 電加熱器內裝有水位報警器4.2 攪拌轉速的測量與控制1、 轉速測量元件2、 攪拌電機的控制3、 轉速控制的算法4、 溶氧轉速關聯(lián)控制4.3 pH 的校正、測量與控制1、 pH電極使用前的水化2、 pH值的標定校正1） pH電極的零

3、點校正2） pH電極的斜率校正3） pH電極內的壓力3、 pH 電極的維護和保養(yǎng)4、 pH值的控制4.4 溶解氧（DO）的標定、測量與控制1、 溶氧測量的電極1） 溶氧（DO）測量的電極2） 極譜型耐高溫溶氧電極的極化2、 溶氧（DO）電極測量的標定3、 溶氧（DO）的測量4、 溶氧（DO）的控制5、 溶氧關聯(lián)控制的操作4.5 消泡控制五、 下位機控制器的操作5.1 鍵盤及符號說明5.2 下位機控制器的操作步驟5.2.1 下位機的啟動5.2.2 下位控制器的設定與操作1、 下位機自動控制前的準備2、 控制周期Ts的設定3、 手動自動操作方式的切換4、 手動操作5、 自動控制方式的操作5.3 推

4、薦的PID參數(shù)的最優(yōu)值六、上位機的操作使用方法說明6.1 上位機軟件的安裝及IP地址設置6.2 工藝流程操作面板（Process Display Panel）的操作步驟1、 打開上位機軟件SY-3000E2、 上位機的操作步驟l 輸入此次實驗的批號和文件名l 進入相應控制和顯示操作6.3 儀表校準（Calibration）操作6.4 控制回路（Control loop Display and Set）的設定與操作6.5 變量顯示（Display）的操作6.6 動態(tài)趨勢（X-Y Trend Graphs）的操作6.7 報警顯示（Alarms）操作6.8 關聯(lián)控制（Cascade Control）

5、操作6.9 以電機轉速控制的操作過程為例進行說明6.10 界面的結構圖七、發(fā)酵罐系統(tǒng)的維護、清洗和保養(yǎng)7.1 發(fā)酵罐系統(tǒng)的日常檢查維護和定期檢查維護7.2 發(fā)酵罐罐體的清洗、維護和保養(yǎng)7.3 攪拌系統(tǒng)的維護7.4 滅菌空氣系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)7.5 蒸汽系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)7.6 溶氧電極的維護7.7 電磁閥的維護7.8 其它維護八、常見故障與排除方法九、人員培訓附錄：5、10L玻璃罐管路圖及滅菌操作簡要說明SY3000 發(fā)酵罐操作使用說明（2007修訂版）0、SY-3000發(fā)酵罐滅菌與發(fā)酵的簡要操作步驟SY-3000發(fā)酵罐系統(tǒng)包括SY-3×××系列的攪拌式發(fā)酵罐。SY-

6、3030發(fā)酵罐系統(tǒng)滅菌與發(fā)酵的簡要操作步驟如下:1. SY-3000發(fā)酵罐系統(tǒng)的蒸汽、空氣、水和排水管路按圖2-1所示安裝；2. 進行pH電極的標定；3. 按3.1滅菌過程的操作步驟打開滅菌的閥和管路,進行升溫滅菌;4. 打開下位機控制箱的電源，顯示升溫滅菌過程的變量變化；5. 滅菌升溫至120 0C，作為溶氧電極的零點標定值標定；6. 滅菌過程結束，將閥和管路切換為發(fā)酵狀態(tài)，開始降溫冷卻；7. 待溫度降到 50-60 0C，可將溫度控制回路切換為自動，并將溫度控制回路的設定值設為發(fā)酵溫度；8. 待溫度降到發(fā)酵溫度并穩(wěn)定后，轉速控制回路切換為自動，并將轉速控制回路的設定值設為600轉/分，作為

7、溶氧電極的100%滿度標定值，按溶氧電極的標定按紐，完成整個溶氧電極的標定；9. 接種并通過下位機控制面板，按發(fā)酵開始按紐，開始發(fā)酵，并與上位機通訊；10. 設置和調整好各個參數(shù)值，開始正常發(fā)酵。一、 SY-3000發(fā)酵罐基本配置1.1 SY-3000發(fā)酵罐系統(tǒng)的特點SY3000發(fā)酵罐系列編號如下表：SY-3000發(fā)酵罐系列統(tǒng)一編號表序號發(fā)酵罐容積材質型號備注15L（全玻璃）全玻璃SY3005QB在位滅菌25L（常規(guī)）玻璃不銹鋼316L（常規(guī)）SY3005B在位滅菌35L全不銹鋼316LSY3005在位滅菌410L（玻璃）玻璃不銹鋼316LSY3010B在位滅菌510L（常規(guī)）316L全不銹鋼

8、（常規(guī)）SY3010615L316L不銹鋼SY3015720L316L不銹鋼SY3020830L316L不銹鋼SY3030950L316L不銹鋼SY305010100L316L不銹鋼SY310011150L316L不銹鋼SY315012200L316L不銹鋼SY320013300L316L不銹鋼SY330014500L316L不銹鋼SY3500151000L(1T)316L不銹鋼SY3001T162000L(2T)316L不銹鋼SY3002T175000L(5T)316L不銹鋼SY3005T1810T316L不銹鋼SY3010TSY3×××B符號表示說明：1、 S

9、Y3 表示發(fā)酵罐；2、 ×××表示發(fā)酵罐的容積大小：例如：5升為SY3005、10升為SY3010、15升為SY3015、100升為SY3100，以此類推；3、 后綴B,QB等表示材質：無后綴全不銹鋼，后綴B玻璃不銹鋼316L，后綴QB全玻璃。l 罐 體：采用優(yōu)質316L不銹鋼板氬弧焊加工，加工精細、結構緊湊，內外拋光精度達到鏡面效果。l 攪拌軸：采用進口專用316L軸材料，電腦數(shù)控加工中心加工，尺寸精度高、外觀好、不易變形。l 機械密封：采用優(yōu)質進口發(fā)酵專用優(yōu)質機械密封，可靠性和耐用性更強。l 專用放料底閥：用316L不銹鋼加工，仿國外進口設計，結構簡單、操作方

10、便，可微量取樣、可反復徹底滅菌。l 控溫系統(tǒng)：采用優(yōu)質水泵和電磁閥，PID控制可精確控制罐溫在±0.2以內，省電30%以上，夾套內中采用新型導流結構，避免流體短路造成冷熱不均。l 通氣系統(tǒng)：全部使用不銹鋼管道配合卡套式接頭，密封性好不易泄漏，濾芯采用0.02濾芯可靠性高、經(jīng)久耐用。l 不銹鋼罐系列產(chǎn)品：采用全不銹鋼框架結構，使整個罐體耐用、造型也十分美觀。l 玻璃罐系列產(chǎn)品：在位式滅菌，全自動滅菌、罐體自產(chǎn)蒸汽、無需滅菌鍋，可以避免搬上搬下的麻煩，避免操作事故。l 30L以上提供壓力容器證書：整套發(fā)酵設備嚴格按照國家對壓力容器的要求設計和委托專業(yè)廠家加工，所以可按客戶要求提供壓力容器

11、證書。1.2 基發(fā)酵罐系統(tǒng)的本配置1、 優(yōu)質不銹鋼、夾套式加熱、帶攪拌的釜式發(fā)酵罐一套；采用優(yōu)質316L不銹鋼板氬弧焊加工，加工精細，內外拋光精度達到鏡面效果，夾套內中采用新型導流結構，避免流體短路造成冷熱不均。2、 閥、管路和支架一套；全部使用不銹鋼管道配合卡套式接頭，密封性好不易泄漏，濾芯采用美國進口0.02濾芯可靠性高、經(jīng)久耐用，并采用全不銹鋼框架結構，使整個罐體耐用、造型也十分美觀。3、 電加熱器一套；4、 下位機控制箱一套；包括基于工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式智能控制器；工業(yè)以太網(wǎng)和485、232等通訊接口；10個A/D輸入口；4個D/A輸出口；11個開關量輸入輸出口；攪拌轉速調速板；4個蠕動

12、泵；功率輸出控制板；2個溫度、2個液位、pH、和溶氧（DO）等電極和隔離式信號變送器。5、 下位機控制軟件一套；6、 傳感器；包括2個溫度pt100鉑電阻、2個液位電極、pH電極、和溶氧（DO）電極等，并有轉子流量計、夾套式加熱和冷水回流液位控制器。7、 加酸、加堿、補料和加消泡劑料瓶四個；8、 上位PC機監(jiān)控軟件SY-3000E一套。1.3 SY-3000發(fā)酵罐配套設備要求1、 發(fā)酵罐配套設備序號發(fā)酵罐容積發(fā)酵罐型號蒸汽發(fā)生器無油空氣壓縮機15L功率3 KW氣量0.02米³/分壓力34 公斤/厘米²壓力47公斤/厘米²210L、15LSY3010、SY3015功

13、率6 KW氣量0.02米³/分壓力34 公斤/厘米²壓力47公斤/厘米²320LSY3020功率9 KW氣量0.02米³/分壓力壓力47公斤/厘米²430LSY3030功率9 KW12 KW氣量0.02米³/分壓力壓力47公斤/厘米²550LSY3050功率12 KW氣量0.02米³/分壓力壓力47公斤/厘米²6100LSY3100功率18 KW氣量0.02米³/分壓力壓力47公斤/厘米²2、 水壓>1公斤/厘米²3、 占地面積約310米²發(fā)酵罐離壁>0

14、.5米4、 電源AC 220V ，2.5千瓦（不包括空壓機、蒸汽發(fā)生器）5、 用戶自配置上位機電腦一臺上位機電腦，256M以上。二、 系統(tǒng)的安裝及連接圖2-1 發(fā)酵罐外接管道連接與安裝2.1 基礎安裝及電源連接SY3000發(fā)酵罐系統(tǒng)需放置于一堅固的操作臺上，操作臺的高度為550600(毫米), SY3015發(fā)酵罐系統(tǒng)尺寸長×寬×高 為1100*800*1600（毫米），安裝時整機離墻的距離不得小于1米。電源采用220伏,50赫茲交流電,10安培，連接方式為三眼插座。必需嚴格按規(guī)定接地。發(fā)酵罐外接管道連接與安裝如圖2-1所示。 2.2 蒸汽連接管 徑 : 進氣管為 1/2 寸

15、，與罐連接的管徑為 12 × 1.5( 毫米 ) 管 材 : 不銹鋼或無縫鋼管蒸汽用量 ：15 公斤/時 ( 最大 )閥門材料 : 不銹鋼或銅質蒸汽壓力 : 主管道3bar，進罐壓力 1.52.O bar若有許多發(fā)酵罐同時共用一根主蒸汽管，那么主管道應增大管徑。 在與發(fā)酵罐連接的蒸汽管道之前均需保留一根蒸汽冷凝水排放管，以排放蒸汽冷凝水。 安全閥通常選擇 1.52.O bar，用戶可根據(jù)需要自定，必須注意的是安全閥上的排氣管管徑不得小子減壓閥之后的管徑。此管應直接接至敞開的陰井內。2.3 水管的連接水 質 : 自來水或深井水管 材 ： 供水管徑為1/2寸，罐上連接管徑為 1O*1.5

16、（毫米） 水 壓 ： 主管為 3bar 以上，進罐時減壓至 1.52 bar耗水量 : 最大10 升/分，主要用于消毒后的冷卻閥門材料 : 不銹鋼或銅質2.4 空氣連接空氣在進入基本單元之前必須經(jīng)過預處理，以除去空氣中的油、札顆粒等雜物。管 徑 ： 進氣主管為 1/2 寸，進罐為 10 × 1.5( 毫米 ) 空氣壓力 ：不得低于3bar空氣用量 ：210 升/分管 材 ： 不銹鋼或無縫鋼管閥門材料 : 不銹鋼2.5 廢水及廢氣連接廢水及廢氣的連接一般采用鍍錚管即可，若采用塑料管，則首先應考慮其耐熱性，因為排出的廢水、廢氣有時溫度可達 95 左右。管徑應選大一些，盡量使廢水和廢氣排出

17、暢通。2.6 SY-3000發(fā)酵罐系統(tǒng)的操作步驟:1、 SY-3000發(fā)酵罐系統(tǒng)的蒸汽、空氣、水和排水管路按圖2-1所示安裝；2、 進行pH電極的標定；3、 按3.1滅菌過程的操作步驟打開滅菌的閥和管路,進行升溫滅菌;4、 打開下位機控制箱的電源，顯示升溫滅菌過程的變量變化；5、 滅菌升溫至120 0C，作為溶氧電極的零點標定值標定；6、 滅菌過程結束，將閥和管路切換為發(fā)酵狀態(tài)，開始降溫冷卻；7、 待溫度降到 50-60 0C，可將溫度控制回路切換為自動，并將溫度控制回路的設定值設為發(fā)酵溫度；8、 待溫度降到發(fā)酵溫度并穩(wěn)定后，轉速控制回路切換為自動，并將轉速控制回路的設定值設為600轉/分，作

18、為溶氧電極的100%滿度標定值，按溶氧電極的標定按紐，完成整個溶氧電極的標定；9、 接種并通過下位機控制面板，按發(fā)酵開始按紐，開始發(fā)酵，并與上位機通訊；10、 設置和調整好各個參數(shù)值，開始正常發(fā)酵。37三、 生物發(fā)酵過程滅菌與發(fā)酵的操作步驟3.1 發(fā)酵罐相關管路與閥門 （如下圖所示）設備進冷水（綠色）和進氣閥（黃色）排水、排氣閥（黑色）蒸汽閥（紅色）101空氣流量計201進水電磁閥（綠色）301加熱器循環(huán)水液位溢流排水球閥401進過濾器蒸汽球閥102循環(huán)水泵202循環(huán)水電磁閥（綠色）302夾套排水球閥402夾套滅菌蒸汽球閥103加熱器203進水球閥（綠色）303空氣過濾器排水、放空球閥403取

19、樣滅菌蒸汽球閥104空氣過濾器204循環(huán)水球閥（綠色）304發(fā)酵罐內放空球閥105冷凝器205冷凝器進水球閥（綠色）106取樣、出料閥206空氣隔膜閥107發(fā)酵罐壓力表207空氣過濾器進氣球閥（黃色）108安全閥208清洗發(fā)酵罐冷水球閥109夾套壓力表209空氣減壓閥110空氣過濾器壓力表1、 進冷水閥5個（201、202、203、204、205），手柄為綠色。201進水電磁閥202循環(huán)水電磁閥203進水球閥204循環(huán)水球閥205冷凝器進水球閥2、 進空氣閥4個， 206隔膜閥207空氣過濾器進氣球閥（手柄為黃色）208清洗發(fā)酵罐冷水閥球閥209空氣減壓閥3、 排水、放空閥4個（301、302

20、、303、304）手柄均為黑色；301加熱器循環(huán)水液位溢流排水針形閥302夾套水排水球閥303過濾器排水針形閥304發(fā)酵罐內放空球閥4、 蒸汽閥3個（401、402、403），手柄為紅色；401進過濾器蒸汽球閥402進夾套蒸汽閥403底部取樣滅菌蒸汽球閥5、 出料取樣閥（106）、安全閥（108）106出料與取樣閥108安全閥3.2 蒸汽滅菌操作過程本系統(tǒng)采用就地蒸汽滅菌，所需蒸汽壓力應在0.2Mpa0.3Mpa。蒸汽用量為810公升/時。系統(tǒng)的滅菌包括發(fā)酵罐培養(yǎng)基的滅菌，空氣過濾器及空氣管道的滅菌和取樣閥的滅菌。為保證培養(yǎng)基的濃度，一般采用夾套間接蒸汽滅菌。滅菌操作過程大致如下1、 開機打開

21、下位機的電源開關和上位機的SY3000E控制軟件，就可顯示有關的過程變量，供操作使用；2、 滅菌前準備工作發(fā)酵罐進行蒸汽滅菌前的準備工作l 發(fā)酵罐在進行蒸汽滅菌之前，要把供水管路及空氣管路所有閥門關閉，即進水閥（203、204和205）及進氣閥（206、207、208、和209），手柄為綠色的閥全部關閉；l 把排水閥（106、301）和發(fā)酵罐內放空閥304打開。l 應注意：Ø 加熱器循環(huán)水液位溢流排水閥301應始終常開,只有在發(fā)酵罐試壓時才打開；Ø 打開發(fā)酵罐放空閥304，但應開得小一點；3、 蒸汽滅菌即逐個打開手柄為紅色的3個蒸汽閥（401、402、403）其步驟如下：1

22、） 發(fā)酵罐蒸汽滅菌發(fā)酵罐蒸汽滅菌主要是通過夾套蒸汽滅菌（1） 再把夾套排水閥（302）打開。（2） 首先打開進夾套蒸汽閥（402）；注意一定要慢慢打開，聽一聽，摸一摸是否蒸汽進來，（3） 開始升溫，l 此時發(fā)酵罐的轉速可在200rpm，使發(fā)酵液受熱均勻。當溫度升到95以上時，即可停止攪拌。l 將控制箱鍵盤按到滅菌顯示，加溫到120時自動計時，罐內壓力到0.110.14Mpa ；l 溫度高了可以將蒸汽閥門關小和通過發(fā)酵罐放氣閥（304）放掉一點蒸汽；l 控制穩(wěn)定時，發(fā)酵罐放氣閥（304）必須關到能看到有氣出來就可以了；（4） 控制滅菌溫度和時間l 培養(yǎng)基高溫120滅菌。一般溫度在120124之間

23、波動。l 根據(jù)滅菌要求和培養(yǎng)基的性質確定滅菌時間，一般為30分鐘。在此時間內應保證溫度不低于120。如果控制不好，溫度低于118時，則需加溫至120重新計時。2） 空氣過濾器、空氣管道及空氣分布器滅菌當發(fā)酵罐蒸汽滅菌溫度達到120時開始滅菌計，空氣過濾器和空氣分布器滅菌。（1） 當發(fā)酵罐蒸汽滅菌溫度達到120后，打開進空氣過濾器蒸汽閥（401）；（2） 同時慢慢打開過濾器排水閥（303），看到過濾器蒸汽出來為止；（3） 關過濾器排水閥（303），打開隔膜閥（206）。蒸汽通過過濾器和隔膜閥（206）進入發(fā)酵罐內，對空氣過濾器、空氣管路和發(fā)酵罐內空氣分布器進行蒸汽滅菌，滅菌時間控制在1015分鐘

24、；（4） 應注意隔膜閥（206）要開得小一點，以免蒸汽進入太多而影響培養(yǎng)基的濃度。3） 出料取樣閥蒸汽滅菌（1） 當滅菌溫度達到120時，將取樣出料閥（106）及滅菌蒸汽閥（403）稍開，看到取樣出料閥（106）有蒸汽出來即可，保證該管路滅菌，但亦不要開得很大，以免蒸汽進入太多而影響室內環(huán)境。（2） 與此同時，在發(fā)酵罐的蓋上接種口，同樣需要放汽，使其達到滅菌要求。4、 滅菌結束與降溫當滅菌時間到后，結束滅菌，其操作步驟如下：1） 將空氣壓縮機電源打開，壓力設置到7Kg，2） 關閉各路蒸汽閥門401、402和4033） 關閉各放空閥（夾套放空閥302、空氣過濾器排水放空閥303和發(fā)酵罐內放空閥3

25、04）。并用發(fā)酵罐內放空閥（304）控制壓力，不能低于0.05 Mpa。4） 關閉空氣管路中的隔膜閥（206）以及關閉接種口螺帽； 5） 打開空氣過濾器進氣閥（207）、進空氣流量計的針形閥（208）、空氣減壓閥（209）和空氣過濾器的排水放空閥（303）（應注意，在開排水放空閥（303）時，應開得小一點），把空氣過濾器吹干。待空氣過濾器吹干后，再關閉空氣過濾器的排水放空閥（303）。6） 此時再打開空氣管路中的隔膜閥（206）和發(fā)酵罐內放空閥304，調節(jié)罐壓到0.05Mpa左右。7） 此時滅菌結束，打開冷凝器進水閥（205）和進水閥（203）、（204），8） 將溫度切換到自動，人工設置溫度

26、所需的設定值，程序就自動關閉循環(huán)水電磁閥（202），打開循環(huán)水泵（102）和進水電磁閥（201）進行發(fā)酵罐降溫。9） 此時必須注意罐壓的變化，罐壓絕對不能低于0.05Mpa，當罐壓低于0.05Mpa時，立即將空氣管路打開，保證發(fā)酵罐的罐壓在0.05Mpa左右。10） 自動降溫和發(fā)酵溫度自動控制：11） 將控制箱面板上顯示狀態(tài)切換到溫度控制欄；然后設定要求的發(fā)酵溫度；再按自動擋，就由手動快速降溫切換為自動降溫控制，直到溫度降至設定的發(fā)酵溫度，就進入發(fā)酵溫度自動控制狀態(tài)。12） 當培養(yǎng)液達到恒溫發(fā)酵溫度時，滅菌過程即告結束，就可準備接種。注意：l 操作人員必須充分熟悉管路及閥門的作用。仔細操作以免

27、不必要的失誤。l 滅菌過程結束后，各閥門所處的狀態(tài)為：Ø 綠色手柄5個進冷水閥（201、202、203、204、205）201進水電磁閥處于自動202循環(huán)水電磁閥處于自動203進水球閥處于打開204循環(huán)水球閥處于打開205冷凝器進水球閥處于打開Ø 綠色手柄4個進空氣閥206隔膜閥處于稍開207空氣過濾器進氣球閥處于打開208進空氣流量計針形閥處于打開209空氣減壓閥處于打開Ø 黑色手柄4個排水、放空閥（301、302、303、304）；301加熱器循環(huán)水液位溢流排水閥處于打開302夾套水排水球閥處于打開303過濾器排水球閥處于關閉304發(fā)酵罐內放空球閥處于稍開&#

28、216; 紅色手柄3個蒸汽球閥（401、402、403）處于關閉；Ø 出料取樣閥（106）處于關閉。3.3 發(fā)酵過程的接種1、 接種在滅菌過程結束，待溫度控制恒定在發(fā)酵溫度后，即可接種。本系統(tǒng)的接種方法可采用火焰接種法或差壓接種法。1） 火焰接種法是在接種口，用酒精火圈消毒，然后打開接種口蓋，迅速將接種液倒入罐內，再把蓋擰緊。2） 采用差壓法，則可在補料口上操作，先拔出塞子，倒入一定量的酒精消毒。待片刻后，把種液瓶的針頭插入接種口的墊片。利用罐內壓力與種液瓶內的壓力差，將種液引入罐內。接種完后，應擰緊塞子。用戶可視具體的情況，任意選用接種方法。2、 控制罐壓保持在0.05Mpa左右在

29、發(fā)酵過程中須控制罐壓。本裝置的罐壓是由手動控制的。即用發(fā)酵罐內放空閥304來控制罐內壓力。所以如果要調節(jié)空氣流量時，必須同時調節(jié)放空閥304，以保持罐內壓力恒定。如果沒有特殊要求，罐壓通?？刂圃?.05Mpa。3、 手動切換為自動控制通過控制面板將轉速、pH等由手動切換為自動控制，并將設定值設置為要求的值。進入發(fā)酵過程。四、 發(fā)酵過程的測量與控制4.1 溫度的測量與控制1、 溫度的測量與變送發(fā)酵液的溫度測量采用傳感器為 Pt100鉑電阻溫度電極，經(jīng)鉑電阻溫度變送器將電訊號轉化成標準的4-20ma信號，經(jīng)250歐姆精密電阻轉化為1-5V直流信號輸入過程控制器；鉑電阻溫度變送器的量程范圍為0-15

30、0 0C ?？刂破鞲鶕?jù)溫度的變化,將發(fā)出指令控制電加熱器的開啟或冷卻水電磁閥的啟閉。加熱元件為兩根400瓦的電熱管，壽命長。2、 發(fā)酵罐內發(fā)酵液溫度的分程控制l 當發(fā)酵罐內發(fā)酵液溫度高于設定值時，程序進行自動冷卻：自動關閉循環(huán)水電磁閥（202）；自動打開進水電磁閥（201）和循環(huán)泵（102），冷卻水直接進入發(fā)酵罐的夾套進行冷卻；然后通過循環(huán)水閥（204）返回到加熱器內，多余的水可由溢流口通過加熱器循環(huán)水液位溢流排水閥（301）流出至下水道。l 當發(fā)酵罐內發(fā)酵液溫度低于設定值時，程序進行自動加熱：自動關閉進水電磁閥（201）；自動開啟電加熱器將加熱器內的水加熱；自動開啟循環(huán)泵（102）和循環(huán)水電

31、磁閥（202），熱水通過循環(huán)水電磁閥（202）、循環(huán)泵（102）和進水閥（203）將送入夾套，以提高發(fā)酵液的溫度；然后加熱水由夾套流出，通過循環(huán)水閥（204）返回到加熱器內，完成加熱水的循環(huán)。加熱水的溫度由溫度控制器調節(jié)電加熱接通時間來完成。3、 溫度PID控制算法溫度控制采用智能PID算法，溫度控制系統(tǒng)可靠性高，也不會出現(xiàn)局部過熱之現(xiàn)象，溫度控制精度為士0.1 以內， 4、 電加熱器內裝有水位報警器在電加熱器內裝有水位報警器。當水位低于某一特定水位時，報警裝置會發(fā)出呼叫聲，并同時程序會自動切斷加熱，而補充冷水，以防加熱元件被損壞?；虍敯l(fā)生報警時，操作工將溫度控制切換為手動進行補水，待水位達到

32、某一高度后，報警聲會自動消失，系統(tǒng)也會自動補水直至報警消失，加熱電源也同時接通，溫度自動控制繼續(xù)下去；或操作工只要將溫度控制的設定值提高，使溫度控制處于冷卻狀態(tài)，進水電磁閥（201）立即打開，加熱器就開始進冷水，待水位達到某一高度后，報警聲會自動消失，溫度控制的設定值再恢復到原來的設定值即可。4.2 攪拌轉速的測量與控制1、 轉速測量元件轉速測量元件為SZMB-3型磁電轉速傳感器，攪拌電機為200瓦的直流電動機，該測量與控制系統(tǒng)具有良好的動力學控制特性，保證了轉速的穩(wěn)定性及可靠性。2、 攪拌電機的控制攪拌電機為雙出軸電機，測速電機與攪拌電機間由軟軸連接，測速電機所測信號輸入控制器，控制器將所測

33、信號與設定轉速相比較，由執(zhí)行元件改變電機的電樞電壓，達到增加或減少攪拌轉速的目的。測速電機所測轉速為電機轉速，但指示已轉換為攪拌器轉速。3、 轉速控制的算法轉速的控制采用PID控制算法，其PID參數(shù)的整定可采用多種自整定算法。4、 溶氧轉速關聯(lián)控制當用轉速自動控制溶氧量時，采用溶氧轉速關聯(lián)控制。若實際溶氧量低于設定溶氧量時，生物過程控制器會發(fā)出加快轉速的指令，用提高轉速來增加溶氧。為了防止攪拌轉速可能出現(xiàn)的“失控”現(xiàn)象，應設置好轉速的上下限，系統(tǒng)默認的上限為1000r/min，下限為0r/min，如果按照默認上下限關聯(lián)運行，轉速會在很大的范圍內波動，最低時電機會停止運轉，所以應當設置好適當?shù)霓D

34、速上下限。我們設計了一自動保護裝置。若攪拌轉速已達到1100轉/分時，而溶氧量仍未達到設定要求時,自動保護裝置會發(fā)出指令，將轉速自動限制在1100轉/分。其目的是防止攪拌轉速的無限上升，保護電機不致燒毀。4.3 pH 的校正、測量與控制1、 pH電極使用前的水化pH 電極在使用之前必須浸入蒸餾水中約12小時以上，以使pH電極的玻璃膜與水反應形成一個覆蓋層，此薄層對電極的測量特性起著決定作用。對長期保存后的電極，則需要更長的活化時間（一至二天）。2、 pH值的標定校正在滅菌前，應對pH電極進行pH值的標定校正。1） pH電極的零點校正用蒸餾水沖洗電極，然后浸于pH=6.86 的緩沖溶液中。待控制

35、器屏幕上顯示出穩(wěn)定值后，光標移至6.86字樣后面的標定上，按一下確認鍵，完成零點標定。2） pH電極的斜率校正用蒸餾水沖洗電極，然后浸入pH=4.0 或 9.18 的緩沖溶液中，待控制器屏幕上顯示出穩(wěn)定值后，光標移至pH=4.0或9.18字樣后面的標定上，按一下確認鍵，完成斜率的標定。3） pH電極內的壓力pH電極在使用時必須比發(fā)酵罐內的壓力大0.2至0.3ban。這樣可防止發(fā)酵介質擴散通過膜，因而改變電極的測量特性。在每次使用完畢后，電極頭和膜必須仔細地用蒸餾水沖洗。3、 pH 電極的維護和保養(yǎng)1） 電極斜率值應位于50mv/pH 和 59mv/pH 之間，如果達不到足夠的斜率，則電極要用胃

36、蛋白酶/鹽酸溶液處理。處理方法是把電極浸入胃蛋白酶/鹽酸溶液中，約數(shù)小時，然后用蒸餾水沖洗。否則就要調換電極。2） 零點偏離應位于-1pH 和2pH 之內，如果超出此范圍，大都是由于膜的污染。可用硫脲溶液或胃蛋白酶/鹽酸溶液處理。4、 pH值的控制在發(fā)酵過程中pH值的控制是采用蠕動泵的加酸或加堿來達到的。值得提醒的是必需要對使用的酸瓶或堿瓶應先在滅菌鍋中滅菌。4.4 溶解氧（DO）的標定、測量與控制1、 溶氧測量的電極1） 溶氧（DO）測量的電極溶氧的測量采用Ingold極譜型耐高溫溶氧電極。3） 極譜型耐高溫溶氧電極的極化在使用前應至少極化六小時，然后進行電極的標定。2、 溶氧（DO）電極測

37、量的標定由于溶氧DO值是一個相對值，所以必需進行標定。溶氧DO的標定可上位機或在下位機上進行零點和100%值標定。l 標定的零點值打開溶氧標定按紐，在滅菌升溫過程，當溫度超過100后，可作為溶氧標定的零點值；也可用碳酸氫鈉溶液標定。在滅菌前先用NaHCO3溶液標定為零。l 標定的100%值在接種前，當溫度恒定在發(fā)酵溫度，并將轉速及空氣量開到最大值時，作為溶氧標定的100%值，進行溶氧標定。3、 溶氧（DO）的測量在標定時是溫度恒定在發(fā)酵溫度，并將轉速及空氣量開到最大值時的DO值作為100%值的。因此，發(fā)酵過程的DO測量值是以上述為滿刻度的相對值。經(jīng)上述校正后，電極即可進行測量。4、 溶氧（DO

38、）的控制1） DO的控制可采用調節(jié)轉速或調節(jié)空氣流量來達到。即可通過上位機或在下位機設置溶氧（DO）與轉速或空氣流量的關聯(lián)控制來實現(xiàn)。2） 通常采用溶氧和轉速的關聯(lián)控制。但由于其關聯(lián)程度有限，僅對耗氧不大的發(fā)酵過程才能達到自控的程度。3） 如果發(fā)酵過程中耗氧量較大，則必須同時調節(jié)進氣量（手動）才能滿足要求。有時甚至需要通入純氧（如在某些基因工程菌的高密度培養(yǎng)中）才能達到要求的DO值。4） 本裝置由于沒有空氣流量得自動調節(jié)閥門，所以不能進行DO和空氣流量的關聯(lián)控制。5、 溶氧關聯(lián)控制的操作通過改變轉速達到自動控制溶氧的目的被認為是最合理的方法。其操作方法如下 ：1） 將溶氧的控制方式由手動轉向自

39、動。2） 用鍵盤輸入所要設定的溶氧值。3） 將轉速的控制方式由自動轉向手動。因為此時的攪拌轉速由溶氧值的大小來決定。 若設定 40%, 則高于此值，攪拌會自動降低。 低于此值時，攪拌轉速會自動升高。 此時溶氧值是常數(shù)，攪拌轉速會 隨發(fā)酵周期微生物狀況的變化而變化。4） 按前述的方法，分別設定KP，Ti，Td。這樣就可用轉速來控制溶氧保持在恒定值。4.5 消泡控制在發(fā)酵過程中，經(jīng)常出現(xiàn)泡沫，而泡沫過高往往會導致逃液現(xiàn)象，致使造成不必要的損失。為此，消泡的自控則顯得十分必要。本發(fā)酵罐系統(tǒng)配有自動消泡裝置，能自動控制泡沫。當發(fā)酵罐內泡沫上升與消泡電極相接觸時，電路導通，由消泡控制發(fā)出指令開啟消泡劑蠕

40、動泵加入少量消泡劑，使得泡沫下降。當泡沫與電極脫離時，電路斷開，消泡控制使消泡劑蠕動泵停止加入消泡劑，完成一次消泡過程。在消泡自動控制過程中，泡沫對消泡電極的靈敏度，消泡劑的每次加入量以及加入時間間隔均可調節(jié)，使用極為簡單，能將消泡劑的使用量限制在最低水平。五、 下位機控制器的操作5.1 鍵盤及符號說明下位機控制器實質上是一個專用的嵌入式微型計算機。所有操作均以鍵盤來實現(xiàn)。其操作面板如圖5-1所示：圖5-1 下位機控制器操作面板符號說明：F1F6 ： 界面切換快捷鍵 ： 光標移動鍵 09 ： 數(shù)字輸入下位鍵盤的操作方法是：l 使用F1F6按鍵，可將液晶屏中的界面切換到用戶需要控制的界面；l 使

41、用方向鍵，可將界面中的光標移動到需要控制的變量上；l 如果是改變運行模式，將光標移動到需要運行模式后，直接按確認鍵即可；l 如果需要鍵盤輸入數(shù)字，在輸入數(shù)字后，按確認鍵即可。此外，在過程控制器的面板上方有一排藍色小燈，用來指示當前控制狀態(tài)。5.2 下位機控制器的操作步驟5.2.1 下位機的啟動1、 打開下位機在滅開始菌操作前，打開電源開關，就打開下位機，可顯示各個過程變量2、 開始發(fā)酵當滅菌操作結束，開始接種發(fā)酵。循環(huán)水泵自動打開，循環(huán)水泵指示燈就會自動變亮。在自動狀態(tài)時，若溫度設定為 30 ,而測量值為 31 ，此時會看到“冷卻”指示燈亮，這表明冷卻開始，加入冷水的電磁閥自動打開。應注意的是

42、，電磁閥開啟的時間長短與Ts有關，兩次開啟之間的間隔即為Ts秒。Ts時間可由操作員設定。5.2.2 下位控制器的設定與操作1、 下位機自動控制前的準備各個控制回路切換到自動前，應先人工設置好PID參數(shù)（已設定默認值，見下表），等待手動操作使過程達到穩(wěn)定后，可將控制回路的運行方式由手動切換到自動。2、 控制周期Ts的設定控制周期Ts秒是兩次控制之間的間隔。Ts時間可由操作員設定。應注意的是，電磁閥開啟的時間間隔與Ts有關，兩次開啟之間的間隔即為Ts秒。但電磁閥在一個時間間隔Ts秒內，開啟的時間長短是與操縱電磁閥的輸出值成正比。3、 手動自動操作方式的切換被控變量的控制方式有手動控制方式或自動方式

43、。在實驗開始后，各個輸出設備均處于關閉狀態(tài)，應該先以手動方式操作執(zhí)行機構，使過程達到穩(wěn)定后，才可以完成對各個控制回路切換到自動。（1） 手動操作方式的設定手動操作方式的設定如下：以被控變量溫度為例來說明其控制方式的設定。發(fā)酵開始之后，l 按鍵F3進入溫度控制界面；l 手動方式操作的設定通過移動光標使光標指向界面中的“手動”位置，然后按下“確認”鍵確認，即完成了手動控制的操作。此時顯示屏上在“手動”按鍵后面會出現(xiàn)一個小手指示，表明當前已處于手動狀態(tài)。（2） 自動方式的設定當需要設定為自動狀態(tài)時，只需移動光標，使光標指向界面中的“自動”位置，然后按下“確認”確認，就完成自動方式的設定。4、 手動操

44、作手動操作只有當被控變量處于手動控制方式時，才能夠起作用，否則是無法進行手動操作。使用手動方式對被控變量進行操作時，根據(jù)實際情況可以及時調整運行狀態(tài)，是更加直接有效的。手動操作步驟如下以溫度控制為例來說明手動方式的操作：對溫度進行手動操作是比較簡單，只需要改變手動控制的輸出量即可。例如，需要對溫度進行手動操作進行加熱時其具體操作如下：（1） 通過快捷鍵（F1F5），選擇F3，進入到溫度控制界面；然后移動光標使它指向到“手動方式”，按下“確認”鍵，即進入溫度控制的手動方式中。此時，“手動方式”后面會出現(xiàn)一個小手來指示當前的選擇是手動方式。（2） 將光標移動到手動設置區(qū)域, 通過上下移動光標選擇到

45、“控制輸出量”。通過按數(shù)字鍵輸入所需要設定的控制量輸出值，如80，并按“確認”鍵確認；此時顯示屏中“加熱”后會出現(xiàn)小手指示當前狀態(tài)為加熱。加熱時是根據(jù)輸入控制量數(shù)值轉換為相應的占空比輸出控制的，當需要停止加熱可以在將控制量輸入為50，此時就會停止加熱?？刂屏糠秶鸀?100。l 溫度控制為分程控制?？刂戚敵隽看笥?0時為加熱狀態(tài)，控制輸出量小于50的時候為冷卻狀態(tài)。l 對于其他的被控變量進行手動操作時，其操作方式基本上與溫度操作時是一樣的。l pH控制也為分程控制?？刂戚敵隽看笥?0時為加堿狀態(tài)，加堿泵開；控制輸出量小于50的時候為加酸狀態(tài)，加酸泵開；控制輸出量等于50時，加堿泵和加酸泵都關閉。

46、l 轉速控制，控制輸出量0100對應于01000的轉速。總之，因為有大屏幕的液晶顯示屏，及25鍵的操作鍵盤配合，使得下位機的操作變的非常簡單、直接。5、 自動控制方式的操作每一個被控變量的控制，都是由下位機的過程控制器發(fā)出的指令，通過執(zhí)行機構來實現(xiàn)的。下位機自動控制方式的操作（以攪拌速度的控制為例來說明，攪拌轉速設定為 300rpm）其操作順序如下：（1） 首先在主界面上，按下“發(fā)酵開始”鍵，使實驗處于運行狀態(tài)。屏幕上顯示“發(fā)酵結束”，并開始與上位機通訊。（2） 根據(jù)顯示屏下面的快捷鍵“F1F5”提示，使用快捷鍵，進入轉速設定界面，在設定界面中，可以清楚的看到在實驗過程中所需要的各個參數(shù)。（3

47、） 控制回路設定值的設定：使用光標移動鍵，移動光標到“設定值”處。在數(shù)字鍵盤上輸入 300, 此時的“設定值”后應該出現(xiàn)“300”的數(shù)值；然后按下“確認”鍵，確認輸入。若輸入有錯誤，可以按“清除”鍵，清除數(shù)據(jù)后重新輸入。（4） PID參數(shù)值的設定：在發(fā)酵過程中，PID參數(shù)的設定均應根據(jù)過程特性和需要而定?？刂破焚|的好壞即控制精度的高低，是與PID參數(shù)整定數(shù)值的設定合理與否有很大的關系。當某一被控變量在切換到自動狀態(tài)前，應先進行設定PID參數(shù)，包括：Kp，Ti，Td； 當進入自動狀態(tài)時，應先查看當前設定的PID參數(shù)，決定是否需要修改。如需要修改，可按下述方法修改。設定PID參數(shù)的操作步驟如下：l

48、 將光標移動到“PID”參數(shù)設置區(qū)域，先將光標指向“Kp”，然后按數(shù)字鍵，輸入需要設定的數(shù)值，按“確認”，確認數(shù)據(jù)的輸入；l 按“”，光標指向“Ti”，然后按數(shù)字鍵輸入數(shù)值，按“確認”鍵，完成“Ti”的輸入；l 同樣的方法可以完成對“Td”的輸入。（5） 控制周期Ts的設定：控制周期Ts秒的顯示，是在顯示屏的右下角。如需改動，可將光標鍵移動過去，直接輸入新的數(shù)據(jù)，并按“確認”確認。（6） 手動/自動的切換當需要設定為自動狀態(tài)時，只需移動光標，使光標指向界面中的“自動”位置，然后按下“確認”確認，就完成自動方式的設定。通過上述操作，完成了攪拌轉速的自控操作。攪拌轉速能自動地控制在300 rpm左

49、右。同樣，溫度、pH、DO、均可按上述的操作步驟完成自動控制程序的設定，但必須強調的是每一被控變量的Kp，Ti，Td，Ts 則是各不相同的，不能強求一律，否則是無法達到最佳控制的目的。此外，系統(tǒng)的PID參數(shù)還可以通過PID自整定自動獲得一個較好的設置。5.2.3 推薦的PID參數(shù)的最優(yōu)值控制回路名稱KPTi (秒)Td (秒)TS (秒)1轉速控制回路12032溫度PID控制回路406040103pH控制回路9.060003六、 上位機的操作使用方法說明6.1 上位機軟件的安裝及IP地址設置1、 上位機軟件的安裝上位軟件的安裝程序存放在用戶光盤中。安裝時只要l 點擊安裝文件夾里面的setup.

50、exe文件；l 然后按照安裝過程中的提示選擇好安裝目錄，再按下一步，直至安裝結束。2、 IP地址的設置l 上位機程序安裝好后，右鍵點擊網(wǎng)上鄰居點擊屬性找到網(wǎng)絡連接；l 再右鍵點擊網(wǎng)絡連接選擇屬性，找到TCP/IP，在TCP/IP里面修改IP地址；l 在TCP/IP里面修改IP地址；上位機IP地址：192.168.0.210 網(wǎng)關：255.255.255.0。這兩項設置好即可。3、 與下位機連接l 用交叉線直接連接下位機（發(fā)酵罐），或用直通線通過HUB連接；l 按上述操作設置好IP地址后，打開下位機（發(fā)酵罐）電源。4、 啟動上位機程序啟動上位機程序就可以看到上位機操作畫面上的連接指示燈顏色變綠，

51、表明上下位機網(wǎng)絡通訊連接成功。6.2 工藝流程操作面板（Process Display Panel）的操作步驟工藝流程操作面板是整個上位機界面的核心，通過工藝流程操作面板可以到達任何一個面板，完成實驗所需的操作，其操作步驟如下：1、 打開上位機軟件SY-3000El 按6.1操作和設置，打開上位機軟件SY-3000E后，直接進入工藝流程顯示的主界面，如圖6-2所示。流程操作面板主要用于顯示和操作系統(tǒng)的運行狀況，但基本上不直接進行控制。l 上位機軟件SY-3000E打開后，下位機會主動和上位機建立TCP連接，使主界面中的下位機連接指示燈亮。l 圖6-2中所示系統(tǒng)由于實驗沒有開始，流程圖中的各個執(zhí)

52、行機構以紅色靜態(tài)圖片顯示，表示現(xiàn)場設備沒有開動。但由于下位機的采樣程序已經(jīng)開始執(zhí)行，所以各變量（包括罐體溫度、夾套溫度、轉速、溶氧、pH）的測量值已經(jīng)在各個測量值顯示框中出現(xiàn)。l 軟件SY-3000E在實驗過程沒有開始時，不允許對各個控制回路進行操作，整個系統(tǒng)處于準備實驗的狀態(tài)。圖6-2 SY-3000E的主界面2、 上位機操作步驟l 輸入此次實驗的批號和文件名下位機開機之初，處于實驗未開始狀態(tài)；在上下位機建立通訊連接以后，點擊實驗開始按鈕，然后輸入此次實驗的批號和文件名，即可開始實驗。系統(tǒng)的設計保證只有在實驗開始的狀態(tài)下，才可以對現(xiàn)場設備進行控制。批號輸入面板和文件名選擇面板如圖6-3所示。

53、 圖6-3 發(fā)酵批號和歷史數(shù)據(jù)文件選擇面板l 進入相應控制和顯示操作Ø 點擊相應控制按鈕或者流程圖上的相應設備圖，即可進入各個單回路的控制面板如圖64所示；Ø 點擊面板上方的一排按鈕，就進入相應的控制和顯示功能面板；Ø 點擊測量值的顯示框，可以打開單回路的實時趨勢曲線面板。圖6-46.3 儀表校準（Calibration）操作6.4 控制回路（Control loop Display and Set）的設定與操作6.5 變量顯示（Display）的操作6.6 動態(tài)趨勢（X-Y Trend Graphs）的操作6.7 報警顯示（Alarms）操作6.8 關聯(lián)控制（C

54、ascade Control）操作6.9 以電機轉速控制的操作過程為例進行說明6.10 界面的結構圖6.36.10的詳細內容見提供的用戶光盤中，附件六、上位機的操作使用方法說明。七、 發(fā)酵罐系統(tǒng)的維護、清洗和保養(yǎng)為了保證發(fā)酵罐正常運行，用戶除了必須熟悉設備的工作原理與各部件的結構、性能作用以及管路、閥門的作用外，還應該重視和加強設備的維護與保養(yǎng)，只有做到設備精心維護才能保證設備處于最好狀態(tài)，延長設備工作年限。7.1 發(fā)酵罐系統(tǒng)的日常檢查維護和定期檢查維護發(fā)酵罐系統(tǒng)的維護與保養(yǎng)可分為日常和定期兩種方式，二者缺一不可。1、 日常檢查維護 （設備運行中的監(jiān)控內容應做好相應記錄）1） 系統(tǒng)壓力、罐內壓力是否穩(wěn)定在規(guī)定范圍。2） 攪拌系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、電磁閥響聲是否正常。3） 培養(yǎng)液顏色是否正常。4） 溫度、溶氧PH顯示參數(shù)是否與設定符合。5） 罐內液位是否正常。6） 閥門管接頭、各接口是否正常，有無泄漏情況。2、 定期檢查維護 1） 隔三個月，需對設備進行全面檢查修正。2） 斷所有電源、水源、氣（汽）源。3） 仔細檢查系統(tǒng)所有密封圈、密封端的情況是否正常。如有永久變形、老化、劃傷、損壞，必須