专利名称：一种发酵用脉冲补料控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种发酵用脉冲补料控制装置，尤其是涉及基因工程菌高密度培
养用的控制发酵罐内营养物质浓度的补料装置。
背景技术：
近年来随着基因工程技术的飞速发展，重组蛋白和生物酶的商业化生产逐步地形 成和完善。发酵法生产的重组蛋白，如a-淀粉酶、P-半乳糖苷酶、干扰素-Y等，广泛应 用在医药、化学、食品工业、农产品加工等国民经济诸多行业。目前生物制药行业成为我国 重点扶持发展的高科技行业之一。而重组蛋白生产能力的不足，成为制约我国生物医药产 业发展的一个关键因素。高密度培养技术就是为提高重组蛋白的生产能力而发展起来的一 门新兴技术。它具有生产率高、生产成本低、培养体积小、工业污水少、下游处理方便等诸多 优点。 由于流加培养操作比较简单，发酵周期短，目前已经广泛应用于基因工程菌的高 密度培养过程中。在基因工程菌流加培养的研究与应用过程中，对发酵罐内营养物维持浓 度及其流加速率的精确控制成为影响基因工程菌发酵工艺优化的主要因素。 其中一种较为先进的补料控制策略为基于基因工程菌的非构造式动力学模型的 脉冲方式补料策略。采用脉冲补料方式，根据D0的脉冲反馈信号，使用一些简单的数学规 则进行在线模型识别，将碳源的比消耗速率控制在Crabtree效应的临界值附近，进而避免 乙酸的产生。在补料速率稳定期，通过调节搅拌器转速将DO控制在某一水平；在补料速率 脉冲变化期，搅拌器转速固定不变，允许D0发生变化，进而产生D0的脉冲响应信号。根据 DO脉冲响应信号的不同，在线实时地调节补料速率。 发酵过程的闭环控制远落后于其它工业过程，因而建立与培养设备相配套的硬件 系统及相应的控制软件，实现脉冲补料过程的自动化，将更有效地为科研和生产服务。
发明内容本实用新型根据脉冲补料控制策略及闭环控制原理，实现了基于基因工程菌非构 造式动力学模型的脉冲补料过程的自动化。 本实用新型的技术方案是， 一种发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，它包括发 酵罐、脉冲补料控制系统、补料计量系统、搅拌器转速控制系统。 所述的脉冲补料控制系统，包括溶氧电极、A/D转换模块、工控计算机及专用控制 软件、电压输出卡、电压电流转换模块、高精度蠕动泵。 所述的脉冲补料控制系统中，首先由工控计算机给出的脉冲补料指令，经过电压 输出卡转换为模拟信号量，然后通过电压电流转换模块，转化为一定范围的电流，驱动高精 度蠕动泵工作，然后由溶氧电极将所测得的溶氧值，通过A/D转换模块传输给工控计算机， 通过控制软件计算，指导下一步的补料。 所述的脉冲补料控制系统中，高精度蠕动泵和补料瓶的数量可根据需要增加，最多可增加至8个高精度蠕动泵和8补料瓶，每个蠕动泵连接一个补料瓶。同时，通过通讯接 口可将该将高精度蠕动泵的补料速率信号实时地传输给工控计算机。 所述的脉冲补料控制系统中，电压电流转换模块将电压模拟量转换为电流模拟 量，驱动高精度蠕动泵工作。 所述的补料计量系统，包括电子天平、补料瓶，电子天平和补料瓶的数量可以根据 需要增加，每个补料瓶对应一个电子天平。通过通信接口可将该电子天平所测重量信号实 时地传输给工控计算机。 所述的搅拌器转速控制系统，其特征在于，该搅拌器转速控制系统，包括直流伺服 电机、直流伺服电机驱动控制器、电压输出卡，直流伺服电机驱动控制器通过通信接口与工 控计算机相连，将搅拌器转速信号实时地传输给工控计算机。 本实用新型适合于5、10、50L的发酵罐，可与已有的全自动发酵罐配套使用。
图1为发酵用脉冲补料控制装置的系统原理图。 图2 图3为本实用新型工控计算机中控制软件界面的示意图。
具体实施方式为了详细说明本实用新型的结构及特点所在，举以下实例并结合附图说明如下 —种发酵用脉冲补料控制装置，如图1所示，它包括发酵罐1、脉冲补料控制系统、 补料计量系统、搅拌器转速控制系统。 所述的脉冲补料控制系统，包括溶氧电极2、A/D转换模块3、工控计算机及专用控 制软件4、电压输出卡6、电压电流转换模块7、高精度蠕动泵8。 所述的脉冲补料控制系统中，首先由工控计算机4给出的脉冲补料指令，经过电 压输出卡6转换为模拟信号量，然后通过电压电流转换模块7，转化为一定范围的电流，驱 动高精度蠕动泵8工作，然后由溶氧电极2将所测得的溶氧值，通过A/D转换模块3传输给 工控计算机4，通过控制软件计算，指导下一步的补料。 所述的脉冲补料控制系统中，高精度蠕动泵8和补料瓶9的数量可根据需要增加，
最多可增加至8个高精度蠕动泵和8补料瓶，每个蠕动泵连接一个补料瓶。同时，通过通讯
接口可将该将高精度蠕动泵8的补料速率信号实时地传输给工控计算机4。 所述的电压电流转换模块，它的作用是将电压模拟量转换为电流模拟量，驱动高
精度蠕动泵8工作。 所述的补料计量系统，包括电子天平10、补料瓶9，电子天平10和补料瓶9的数量 可以根据需要增加，每个补料瓶对应一个电子天平。通过通信接口可将该电子天平10所测 重量信号实时地传输给工控计算机4。 所述的搅拌器转速控制系统，包括直流伺服电机11、直流伺服电机驱动控制器 12、电压输出卡5，直流伺服电机驱动控制器12通过通信接口与工控计算机4相连，将搅拌 器转速信号实时地传输给工控计算机4。 本实用新型适用的发酵罐l的容积为5、10、50L。所述的工控计算机4中包含的 控制软件是基于Visual Basic 6.0开发的。如图2所示，使用时，首先要设置一些控制参数，包括所要控制溶氧水平、补料速率的更新步长、初始的搅拌器转速、搅拌器转速的更新 步长。然后点击脉冲补料按钮，如图3所示，控制软件将实时地显示补料速率、发酵罐1中 的溶氧值、直流伺服电机11的转速值。当直流伺服电机11的转速值达到最大值时，控制软 件会给出提示，这时需要泵入纯氧来提高发酵罐1中的溶氧值。
权利要求一种发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，它包括发酵罐(1)、脉冲补料控制系统、补料计量系统、搅拌器转速控制系统,发酵罐(1)为被控对象,脉冲补料控制系统和搅拌器转速控制系统之间为互斥关系，即脉冲补料控制系统工作时，关闭搅拌器的转速控制系统，排除直流伺服电机(11)的转速对溶氧电极(2)所测溶氧信号的影响，脉冲补料控制系统根据溶氧电极(2)所测得的溶氧值调整高精度蠕动泵(8)的转速；脉冲补料控制系统关闭时，打开搅拌器的转速控制系统，在高精度蠕动泵(8)的转速不变的情况下，搅拌器的转速控制系统通过调节直流伺服电机(11)的转速，将溶氧电极(2)所测得的溶氧值调整到用户的设定值,补料计量系统用于计量脉冲补料控制系统所控制的高精度蠕动泵(8)的补料速率。
2. 根据权利要求1所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，该装置中的脉冲补 料控制系统包括溶氧电极(2) 、 A/D转换模块(3)、工控计算机及专用控制软件(4)、电压输 出卡(6)、电压电流转换模块(7)、高精度蠕动泵(8)。
3. 根据权利要求1所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，该装置中的脉冲补 料控制系统，由工控计算机(4)给出的脉冲补料指令，经过电压输出卡(6)转换为模拟信号 量，然后通过电压电流转换模块(7)，转化为一定范围的电流，驱动高精度蠕动泵(8)工作， 然后由溶氧电极(2)将所测得的溶氧值，通过A/D转换模块(3)传输给工控计算机(4)，通 过控制软件计算，指导下一步的补料。
4. 根据权利要求1所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，该装置的脉冲补料 控制系统中，高精度蠕动泵(8)和补料瓶(9)的数量可根据需要增加，最多可增加至8个高 精度蠕动泵和8补料瓶，每个蠕动泵连接一个补料瓶。
5. 根据权利要求2所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，该装置的脉冲补料 控制系统中，高精度蠕动泵(8)通过通讯接口可将该将高精度蠕动泵(8)的补料速率信号 实时地传输给工控计算机(4)。
6. 根据权利要求2所述的所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，该装置的脉 冲补料控制系统中，电压电流转换模块(7)将电压模拟量转换为电流模拟量，驱动高精度 蠕动泵(8)工作。
7. 根据权利要求1所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，该装置中补料计量 系统，包括电子天平(10)、补料瓶(9)，电子天平的数量可以根据需要增加，每个补料瓶对 应一个电子天平。
8. 根据权利要求7所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，该装置中电子天平 (10)通过通信接口将所测重量信号实时地传输给工控计算机(4)。
9. 根据权利要求1所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，该装置中搅拌器转 速控制系统，包括直流伺服电机(11)、直流伺服电机驱动控制器(12)、电压输出卡(5)，直 流伺服电机驱动控制器(12)通过通信接口与工控计算机(4)相连，将搅拌器转速信号实时 地传输给工控计算机(4)。
10. 根据权利要求l所述的发酵用脉冲补料控制装置，其特征在于，发酵罐(1)的容积 为5、10、50L。
专利摘要本实用新型公开了一种发酵用脉冲补料控制装置，它包括发酵罐、脉冲补料控制系统、补料计量系统、搅拌器转速控制系统。所述的脉冲补料控制系统，包括溶氧电极、A/D转换模块、工控计算机及专用控制软件、电压输出卡、电压电流转换模块、高精度蠕动泵。工作时首先由工控计算机给出的脉冲补料指令，经过电压输出卡转换为模拟信号量，然后通过电压电流转换模块，转化为一定范围的电流，驱动高精度蠕动泵工作，然后由溶氧电极将所测得的溶氧值，通过A/D转换模块传输给工控计算机，通过控制软件计算，指导下一步的补料。本实用新型实现了基于基因工程菌非构造式动力学模型的脉冲补料过程的自动化，适用于基因工程菌发酵工艺过程的研究和应用。
文档编号C12M1/36GK201506795SQ20092007508
公开日2010年6月16日 申请日期2009年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者吴子岳, 张艳乐, 欧杰, 田昌凤, 许哲, 诸逦莹 申请人:上海海洋大学