專利名稱：一種發酵用脈沖補料控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發酵用脈沖補料控制裝置，尤其是涉及基因工程菌高密度培
養用的控制發酵罐內營養物質濃度的補料裝置。
背景技術：
近年來隨著基因工程技術的飛速發展，重組蛋白和生物酶的商業化生產逐步地形 成和完善。發酵法生產的重組蛋白，如a-淀粉酶、P-半乳糖苷酶、干擾素-Y等，廣泛應 用在醫藥、化學、食品工業、農產品加工等國民經濟諸多行業。目前生物制藥行業成為我國 重點扶持發展的高科技行業之一。而重組蛋白生產能力的不足，成為制約我國生物醫藥產 業發展的一個關鍵因素。高密度培養技術就是為提高重組蛋白的生產能力而發展起來的一 門新興技術。它具有生產率高、生產成本低、培養體積小、工業污水少、下游處理方便等諸多 優點。 由于流加培養操作比較簡單，發酵周期短，目前已經廣泛應用于基因工程菌的高 密度培養過程中。在基因工程菌流加培養的研究與應用過程中，對發酵罐內營養物維持濃 度及其流加速率的精確控制成為影響基因工程菌發酵工藝優化的主要因素。 其中一種較為先進的補料控制策略為基于基因工程菌的非構造式動力學模型的 脈沖方式補料策略。采用脈沖補料方式，根據D0的脈沖反饋信號，使用一些簡單的數學規 則進行在線模型識別，將碳源的比消耗速率控制在Crabtree效應的臨界值附近，進而避免 乙酸的產生。在補料速率穩定期，通過調節攪拌器轉速將DO控制在某一水平；在補料速率 脈沖變化期，攪拌器轉速固定不變，允許D0發生變化，進而產生D0的脈沖響應信號。根據 DO脈沖響應信號的不同，在線實時地調節補料速率。 發酵過程的閉環控制遠落后于其它工業過程，因而建立與培養設備相配套的硬件 系統及相應的控制軟件，實現脈沖補料過程的自動化，將更有效地為科研和生產服務。

發明內容本實用新型根據脈沖補料控制策略及閉環控制原理，實現了基于基因工程菌非構 造式動力學模型的脈沖補料過程的自動化。 本實用新型的技術方案是， 一種發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，它包括發 酵罐、脈沖補料控制系統、補料計量系統、攪拌器轉速控制系統。 所述的脈沖補料控制系統，包括溶氧電極、A/D轉換模塊、工控計算機及專用控制 軟件、電壓輸出卡、電壓電流轉換模塊、高精度蠕動泵。 所述的脈沖補料控制系統中，首先由工控計算機給出的脈沖補料指令，經過電壓 輸出卡轉換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉換模塊，轉化為一定范圍的電流，驅動高精 度蠕動泵工作，然后由溶氧電極將所測得的溶氧值，通過A/D轉換模塊傳輸給工控計算機， 通過控制軟件計算，指導下一步的補料。 所述的脈沖補料控制系統中，高精度蠕動泵和補料瓶的數量可根據需要增加，最多可增加至8個高精度蠕動泵和8補料瓶，每個蠕動泵連接一個補料瓶。同時，通過通訊接 口可將該將高精度蠕動泵的補料速率信號實時地傳輸給工控計算機。 所述的脈沖補料控制系統中，電壓電流轉換模塊將電壓模擬量轉換為電流模擬 量，驅動高精度蠕動泵工作。 所述的補料計量系統，包括電子天平、補料瓶，電子天平和補料瓶的數量可以根據 需要增加，每個補料瓶對應一個電子天平。通過通信接口可將該電子天平所測重量信號實 時地傳輸給工控計算機。 所述的攪拌器轉速控制系統，其特征在于，該攪拌器轉速控制系統，包括直流伺服 電機、直流伺服電機驅動控制器、電壓輸出卡，直流伺服電機驅動控制器通過通信接口與工 控計算機相連，將攪拌器轉速信號實時地傳輸給工控計算機。 本實用新型適合于5、10、50L的發酵罐，可與已有的全自動發酵罐配套使用。
圖1為發酵用脈沖補料控制裝置的系統原理圖。 圖2 圖3為本實用新型工控計算機中控制軟件界面的示意圖。
具體實施方式為了詳細說明本實用新型的結構及特點所在，舉以下實例并結合附圖說明如下 —種發酵用脈沖補料控制裝置，如圖1所示，它包括發酵罐1、脈沖補料控制系統、 補料計量系統、攪拌器轉速控制系統。 所述的脈沖補料控制系統，包括溶氧電極2、A/D轉換模塊3、工控計算機及專用控 制軟件4、電壓輸出卡6、電壓電流轉換模塊7、高精度蠕動泵8。 所述的脈沖補料控制系統中，首先由工控計算機4給出的脈沖補料指令，經過電 壓輸出卡6轉換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉換模塊7，轉化為一定范圍的電流，驅 動高精度蠕動泵8工作，然后由溶氧電極2將所測得的溶氧值，通過A/D轉換模塊3傳輸給 工控計算機4，通過控制軟件計算，指導下一步的補料。 所述的脈沖補料控制系統中，高精度蠕動泵8和補料瓶9的數量可根據需要增加，
最多可增加至8個高精度蠕動泵和8補料瓶，每個蠕動泵連接一個補料瓶。同時，通過通訊
接口可將該將高精度蠕動泵8的補料速率信號實時地傳輸給工控計算機4。 所述的電壓電流轉換模塊，它的作用是將電壓模擬量轉換為電流模擬量，驅動高
精度蠕動泵8工作。 所述的補料計量系統，包括電子天平10、補料瓶9，電子天平10和補料瓶9的數量 可以根據需要增加，每個補料瓶對應一個電子天平。通過通信接口可將該電子天平10所測 重量信號實時地傳輸給工控計算機4。 所述的攪拌器轉速控制系統，包括直流伺服電機11、直流伺服電機驅動控制器 12、電壓輸出卡5，直流伺服電機驅動控制器12通過通信接口與工控計算機4相連，將攪拌 器轉速信號實時地傳輸給工控計算機4。 本實用新型適用的發酵罐l的容積為5、10、50L。所述的工控計算機4中包含的 控制軟件是基于Visual Basic 6.0開發的。如圖2所示，使用時，首先要設置一些控制參數，包括所要控制溶氧水平、補料速率的更新步長、初始的攪拌器轉速、攪拌器轉速的更新 步長。然后點擊脈沖補料按鈕，如圖3所示，控制軟件將實時地顯示補料速率、發酵罐1中 的溶氧值、直流伺服電機11的轉速值。當直流伺服電機11的轉速值達到最大值時，控制軟 件會給出提示，這時需要泵入純氧來提高發酵罐1中的溶氧值。
權利要求一種發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，它包括發酵罐(1)、脈沖補料控制系統、補料計量系統、攪拌器轉速控制系統,發酵罐(1)為被控對象,脈沖補料控制系統和攪拌器轉速控制系統之間為互斥關系，即脈沖補料控制系統工作時，關閉攪拌器的轉速控制系統，排除直流伺服電機(11)的轉速對溶氧電極(2)所測溶氧信號的影響，脈沖補料控制系統根據溶氧電極(2)所測得的溶氧值調整高精度蠕動泵(8)的轉速；脈沖補料控制系統關閉時，打開攪拌器的轉速控制系統，在高精度蠕動泵(8)的轉速不變的情況下，攪拌器的轉速控制系統通過調節直流伺服電機(11)的轉速，將溶氧電極(2)所測得的溶氧值調整到用戶的設定值,補料計量系統用于計量脈沖補料控制系統所控制的高精度蠕動泵(8)的補料速率。
2. 根據權利要求1所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，該裝置中的脈沖補 料控制系統包括溶氧電極(2) 、 A/D轉換模塊(3)、工控計算機及專用控制軟件(4)、電壓輸 出卡(6)、電壓電流轉換模塊(7)、高精度蠕動泵(8)。
3. 根據權利要求1所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，該裝置中的脈沖補 料控制系統，由工控計算機(4)給出的脈沖補料指令，經過電壓輸出卡(6)轉換為模擬信號 量，然后通過電壓電流轉換模塊(7)，轉化為一定范圍的電流，驅動高精度蠕動泵(8)工作， 然后由溶氧電極(2)將所測得的溶氧值，通過A/D轉換模塊(3)傳輸給工控計算機(4)，通 過控制軟件計算，指導下一步的補料。
4. 根據權利要求1所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，該裝置的脈沖補料 控制系統中，高精度蠕動泵(8)和補料瓶(9)的數量可根據需要增加，最多可增加至8個高 精度蠕動泵和8補料瓶，每個蠕動泵連接一個補料瓶。
5. 根據權利要求2所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，該裝置的脈沖補料 控制系統中，高精度蠕動泵(8)通過通訊接口可將該將高精度蠕動泵(8)的補料速率信號 實時地傳輸給工控計算機(4)。
6. 根據權利要求2所述的所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，該裝置的脈 沖補料控制系統中，電壓電流轉換模塊(7)將電壓模擬量轉換為電流模擬量，驅動高精度 蠕動泵(8)工作。
7. 根據權利要求1所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，該裝置中補料計量 系統，包括電子天平(10)、補料瓶(9)，電子天平的數量可以根據需要增加，每個補料瓶對 應一個電子天平。
8. 根據權利要求7所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，該裝置中電子天平 (10)通過通信接口將所測重量信號實時地傳輸給工控計算機(4)。
9. 根據權利要求1所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，該裝置中攪拌器轉 速控制系統，包括直流伺服電機(11)、直流伺服電機驅動控制器(12)、電壓輸出卡(5)，直 流伺服電機驅動控制器(12)通過通信接口與工控計算機(4)相連，將攪拌器轉速信號實時 地傳輸給工控計算機(4)。
10. 根據權利要求l所述的發酵用脈沖補料控制裝置，其特征在于，發酵罐(1)的容積 為5、10、50L。
專利摘要本實用新型公開了一種發酵用脈沖補料控制裝置，它包括發酵罐、脈沖補料控制系統、補料計量系統、攪拌器轉速控制系統。所述的脈沖補料控制系統，包括溶氧電極、A/D轉換模塊、工控計算機及專用控制軟件、電壓輸出卡、電壓電流轉換模塊、高精度蠕動泵。工作時首先由工控計算機給出的脈沖補料指令，經過電壓輸出卡轉換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉換模塊，轉化為一定范圍的電流，驅動高精度蠕動泵工作，然后由溶氧電極將所測得的溶氧值，通過A/D轉換模塊傳輸給工控計算機，通過控制軟件計算，指導下一步的補料。本實用新型實現了基于基因工程菌非構造式動力學模型的脈沖補料過程的自動化，適用于基因工程菌發酵工藝過程的研究和應用。
文檔編號C12M1/36GK201506795SQ20092007508
公開日2010年6月16日 申請日期2009年7月23日 優先權日2009年7月23日
發明者吳子岳, 張艷樂, 歐杰, 田昌鳳, 許哲, 諸邐瑩 申請人:上海海洋大學