[發(fā)明專利]用于發(fā)酵過程優(yōu)化與數(shù)據(jù)放大的BIORADAR系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 00127308.6
• 申請日: 2000-11-08
• 公開（公告）號: CN1316508A
• 公開（公告）日: 2001-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張嗣良;黃明志
• 申請（專利權(quán)）人: 上海國強(qiáng)生化工程裝備有限公司
• 主分類號: C12M1/36
• 分類號: C12M1/36
• 代理公司: 上海醫(yī)藥專利事務(wù)所
• 代理人: 王巍,孫躍虹

本發(fā)明涉及控制發(fā)酵工藝的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具體涉及一種用于發(fā)酵過程優(yōu)化與數(shù)據(jù)放大的生物過程檢測(BIORADAR)系統(tǒng)。

發(fā)酵罐在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中具有重要地位，而發(fā)酵罐中所進(jìn)行的微生物發(fā)酵實(shí)質(zhì)上是在分子水平的遺傳特性、細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)和工程水平的傳遞特性三個(gè)不同方向上發(fā)生調(diào)控的。發(fā)酵過程的復(fù)雜性和高度非線性等諸多因素以及多容量過程特征，使系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性和不可預(yù)測性。發(fā)酵過程要達(dá)到過程優(yōu)化與數(shù)據(jù)放大的目標(biāo)，必須要有成熟的發(fā)酵過程參數(shù)檢測技術(shù)的支持。因此，在小試、中試和生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐上必須配置有大量的傳感器，對物化和生物等各種參數(shù)進(jìn)行在線或離線測量，才能為過程分析和優(yōu)化控制提供充分有效的數(shù)據(jù)。FUS-50L(A)自控發(fā)酵罐(見另案專利申請)為實(shí)現(xiàn)上述功能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

但是，光有穩(wěn)定可靠的硬件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。用于過程研究的各種自控發(fā)酵罐要有一套高性能的軟件系統(tǒng)去指揮它完成各種各樣的任務(wù)。發(fā)酵過程的復(fù)雜性，使得開發(fā)一個(gè)適應(yīng)多種反應(yīng)器特點(diǎn)，融合各種過程理論和控制理論，便于發(fā)酵過程工藝分析和優(yōu)化操作的軟件包，成為一個(gè)迫切需要解決的課題。

目前，市場上的許多發(fā)酵罐控制軟件，大多用組態(tài)語言進(jìn)行二次開發(fā)。如美國Wonderware公司的InTouch,LTC公司的LABTECH,National?Instrument公司的LabView,GCG公司的Onspect和臺灣研華公司的Genie等組態(tài)語言，一般都具有組態(tài)方便的優(yōu)點(diǎn)。它們提供的開放性架構(gòu)，允許用戶通過編寫自己的動(dòng)態(tài)連接庫(DLL)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)客戶程序來擴(kuò)展原有程序的功能。用組態(tài)語言進(jìn)行發(fā)酵罐控制軟件設(shè)計(jì)有編程簡便等優(yōu)點(diǎn)，但其開放性很是有限，靈活性在一定程度上受到限制，很難完全按自己的愿望進(jìn)行功能擴(kuò)充。例如美國NEW?BRUNSWICKSCIENTIFIC?CO.INC.公司的AFS-Biocommand軟件與實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵罐裝置；德國B.Braun公司，其軟件是基于Windows系統(tǒng)下開發(fā)的用于NBS發(fā)酵罐與細(xì)胞培養(yǎng)的參數(shù)檢測與控制系統(tǒng)。但這些裝置都是基于生物過程動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制操作點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此提供的有關(guān)傳感器配置、二次儀表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與應(yīng)用軟件只是對操作點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行顯示、儲存和記錄，不能做進(jìn)一步的曲線相關(guān)分析，因此只能停留在以人工經(jīng)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)操作。

本發(fā)明的目的在于根據(jù)細(xì)胞代謝流及發(fā)酵罐物料流的概念和理論，開發(fā)為實(shí)現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)品過程工藝優(yōu)化及用于工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)放大的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

本發(fā)明首先基于對發(fā)酵過程的復(fù)雜性、高度非線性等諸多因素以及多容量過程特征，使系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性和不可預(yù)測性的認(rèn)識，在發(fā)酵過程優(yōu)化和放大時(shí)，不以建立數(shù)學(xué)模型為唯一方法，而采用了以采集過程數(shù)據(jù)為先導(dǎo)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型方法。

本發(fā)明認(rèn)為發(fā)酵罐中所進(jìn)行的微生物發(fā)酵實(shí)質(zhì)上是在分子水平的遺傳特性、細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)和工程水平的傳遞特性三個(gè)不同水平上發(fā)生調(diào)控的，因此區(qū)分發(fā)酵過程中以上三個(gè)不同水平的問題是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型方法的主要目標(biāo)。

本發(fā)明又進(jìn)一步提出細(xì)胞代謝物質(zhì)流所引起的生物反應(yīng)器物料流變化的相關(guān)特性，是研究上述三個(gè)水平問題，并實(shí)現(xiàn)過程的數(shù)據(jù)優(yōu)化和放大的基本內(nèi)容，提出了發(fā)酵過程參數(shù)曲線相關(guān)的各種研究方法，并在本系統(tǒng)編制的軟件中體現(xiàn)。

本發(fā)明提供了用于發(fā)酵過程優(yōu)化與數(shù)據(jù)放大的BIORADAR系統(tǒng)。本發(fā)明BIORADAR系統(tǒng)由發(fā)酵罐、上位計(jì)算機(jī)、下位計(jì)算機(jī)和軟件包體系構(gòu)成，其中軟件包體系由主線程、采樣線程、過程分析的控制線程、報(bào)警線程和儲存線程組成。

本發(fā)明的BIORADAR系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

①本發(fā)明考慮了發(fā)酵過程工藝分析中的各種可能情況，開發(fā)了一個(gè)適應(yīng)多種反應(yīng)器特性，融合各種過程理論和控制理論的軟件包，以及相應(yīng)的不同容量的發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)、傳感器配置、二次儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(如圖1發(fā)酵過程測控系統(tǒng)所示)。

圖1中各序號分別表示1溫度傳感器；2pH傳感器；3溶解氧(DO)傳感器；4全罐(含料)秤量傳感器；5尾氣CO₂接口；6尾氣O₂接口；7測速傳感器；8壓力傳感器；9消泡傳感器；10熱質(zhì)量流量計(jì)；11高精度蠕動(dòng)泵；12基質(zhì)補(bǔ)料電子秤；13前體或油電子秤；14酸堿物電子秤；15循環(huán)泵；16電磁閥；17數(shù)/模轉(zhuǎn)換器；18模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；19下位機(jī)；20上位機(jī)；21調(diào)制解調(diào)器；22料瓶；23稀土電機(jī)；24預(yù)熱器。