專利名稱：一種發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，尤其是涉及基因工程菌高密度培
養(yǎng)用的控制發(fā)酵罐內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度的補(bǔ)料裝置。
背景技術(shù)：
近年來隨著基因工程技術(shù)的飛速發(fā)展，重組蛋白和生物酶的商業(yè)化生產(chǎn)逐步地形 成和完善。發(fā)酵法生產(chǎn)的重組蛋白，如a-淀粉酶、P-半乳糖苷酶、干擾素-Y等，廣泛應(yīng) 用在醫(yī)藥、化學(xué)、食品工業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品加工等國民經(jīng)濟(jì)諸多行業(yè)。目前生物制藥行業(yè)成為我國 重點(diǎn)扶持發(fā)展的高科技行業(yè)之一。而重組蛋白生產(chǎn)能力的不足，成為制約我國生物醫(yī)藥產(chǎn) 業(yè)發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。高密度培養(yǎng)技術(shù)就是為提高重組蛋白的生產(chǎn)能力而發(fā)展起來的一 門新興技術(shù)。它具有生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低、培養(yǎng)體積小、工業(yè)污水少、下游處理方便等諸多 優(yōu)點(diǎn)。 由于流加培養(yǎng)操作比較簡單，發(fā)酵周期短，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于基因工程菌的高 密度培養(yǎng)過程中。在基因工程菌流加培養(yǎng)的研究與應(yīng)用過程中，對發(fā)酵罐內(nèi)營養(yǎng)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(fā)酵工藝優(yōu)化的主要因素。 其中一種較為先進(jìn)的補(bǔ)料控制策略為基于基因工程菌的非構(gòu)造式動力學(xué)模型的 脈沖方式補(bǔ)料策略。采用脈沖補(bǔ)料方式，根據(jù)D0的脈沖反饋信號，使用一些簡單的數(shù)學(xué)規(guī) 則進(jìn)行在線模型識別，將碳源的比消耗速率控制在Crabtree效應(yīng)的臨界值附近，進(jìn)而避免 乙酸的產(chǎn)生。在補(bǔ)料速率穩(wěn)定期，通過調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速將DO控制在某一水平；在補(bǔ)料速率 脈沖變化期，攪拌器轉(zhuǎn)速固定不變，允許D0發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生D0的脈沖響應(yīng)信號。根據(jù) DO脈沖響應(yīng)信號的不同，在線實(shí)時地調(diào)節(jié)補(bǔ)料速率。 發(fā)酵過程的閉環(huán)控制遠(yuǎn)落后于其它工業(yè)過程，因而建立與培養(yǎng)設(shè)備相配套的硬件 系統(tǒng)及相應(yīng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)脈沖補(bǔ)料過程的自動化，將更有效地為科研和生產(chǎn)服務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型根據(jù)脈沖補(bǔ)料控制策略及閉環(huán)控制原理，實(shí)現(xiàn)了基于基因工程菌非構(gòu) 造式動力學(xué)模型的脈沖補(bǔ)料過程的自動化。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是， 一種發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，它包括發(fā) 酵罐、脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)、補(bǔ)料計量系統(tǒng)、攪拌器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。 所述的脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極、A/D轉(zhuǎn)換模塊、工控計算機(jī)及專用控制 軟件、電壓輸出卡、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、高精度蠕動泵。 所述的脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)中，首先由工控計算機(jī)給出的脈沖補(bǔ)料指令，經(jīng)過電壓 輸出卡轉(zhuǎn)換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化為一定范圍的電流，驅(qū)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(zhuǎn)換模塊傳輸給工控計算機(jī)， 通過控制軟件計算，指導(dǎo)下一步的補(bǔ)料。 所述的脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)中，高精度蠕動泵和補(bǔ)料瓶的數(shù)量可根據(jù)需要增加，最多可增加至8個高精度蠕動泵和8補(bǔ)料瓶，每個蠕動泵連接一個補(bǔ)料瓶。同時，通過通訊接 口可將該將高精度蠕動泵的補(bǔ)料速率信號實(shí)時地傳輸給工控計算機(jī)。 所述的脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)中，電壓電流轉(zhuǎn)換模塊將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬 量，驅(qū)動高精度蠕動泵工作。 所述的補(bǔ)料計量系統(tǒng)，包括電子天平、補(bǔ)料瓶，電子天平和補(bǔ)料瓶的數(shù)量可以根據(jù) 需要增加，每個補(bǔ)料瓶對應(yīng)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(shí) 時地傳輸給工控計算機(jī)。 所述的攪拌器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，其特征在于，該攪拌器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，包括直流伺服 電機(jī)、直流伺服電機(jī)驅(qū)動控制器、電壓輸出卡，直流伺服電機(jī)驅(qū)動控制器通過通信接口與工 控計算機(jī)相連，將攪拌器轉(zhuǎn)速信號實(shí)時地傳輸給工控計算機(jī)。 本實(shí)用新型適合于5、10、50L的發(fā)酵罐，可與已有的全自動發(fā)酵罐配套使用。
圖1為發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置的系統(tǒng)原理圖。 圖2 圖3為本實(shí)用新型工控計算機(jī)中控制軟件界面的示意圖。
具體實(shí)施方式為了詳細(xì)說明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)所在，舉以下實(shí)例并結(jié)合附圖說明如下 —種發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，如圖1所示，它包括發(fā)酵罐1、脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)、 補(bǔ)料計量系統(tǒng)、攪拌器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。 所述的脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極2、A/D轉(zhuǎn)換模塊3、工控計算機(jī)及專用控 制軟件4、電壓輸出卡6、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊7、高精度蠕動泵8。 所述的脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)中，首先由工控計算機(jī)4給出的脈沖補(bǔ)料指令，經(jīng)過電 壓輸出卡6轉(zhuǎn)換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊7，轉(zhuǎn)化為一定范圍的電流，驅(qū) 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(zhuǎn)換模塊3傳輸給 工控計算機(jī)4，通過控制軟件計算，指導(dǎo)下一步的補(bǔ)料。 所述的脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)中，高精度蠕動泵8和補(bǔ)料瓶9的數(shù)量可根據(jù)需要增加，
最多可增加至8個高精度蠕動泵和8補(bǔ)料瓶，每個蠕動泵連接一個補(bǔ)料瓶。同時，通過通訊
接口可將該將高精度蠕動泵8的補(bǔ)料速率信號實(shí)時地傳輸給工控計算機(jī)4。 所述的電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，它的作用是將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬量，驅(qū)動高
精度蠕動泵8工作。 所述的補(bǔ)料計量系統(tǒng)，包括電子天平10、補(bǔ)料瓶9，電子天平10和補(bǔ)料瓶9的數(shù)量 可以根據(jù)需要增加，每個補(bǔ)料瓶對應(yīng)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(shí)時地傳輸給工控計算機(jī)4。 所述的攪拌器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，包括直流伺服電機(jī)11、直流伺服電機(jī)驅(qū)動控制器 12、電壓輸出卡5，直流伺服電機(jī)驅(qū)動控制器12通過通信接口與工控計算機(jī)4相連，將攪拌 器轉(zhuǎn)速信號實(shí)時地傳輸給工控計算機(jī)4。 本實(shí)用新型適用的發(fā)酵罐l的容積為5、10、50L。所述的工控計算機(jī)4中包含的 控制軟件是基于Visual Basic 6.0開發(fā)的。如圖2所示，使用時，首先要設(shè)置一些控制參數(shù)，包括所要控制溶氧水平、補(bǔ)料速率的更新步長、初始的攪拌器轉(zhuǎn)速、攪拌器轉(zhuǎn)速的更新 步長。然后點(diǎn)擊脈沖補(bǔ)料按鈕，如圖3所示，控制軟件將實(shí)時地顯示補(bǔ)料速率、發(fā)酵罐1中 的溶氧值、直流伺服電機(jī)11的轉(zhuǎn)速值。當(dāng)直流伺服電機(jī)11的轉(zhuǎn)速值達(dá)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(fā)酵罐1中的溶氧值。
權(quán)利要求一種發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，它包括發(fā)酵罐(1)、脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)、補(bǔ)料計量系統(tǒng)、攪拌器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),發(fā)酵罐(1)為被控對象,脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)和攪拌器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)之間為互斥關(guān)系，即脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)工作時，關(guān)閉攪拌器的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，排除直流伺服電機(jī)(11)的轉(zhuǎn)速對溶氧電極(2)所測溶氧信號的影響，脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)根據(jù)溶氧電極(2)所測得的溶氧值調(diào)整高精度蠕動泵(8)的轉(zhuǎn)速；脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)關(guān)閉時，打開攪拌器的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，在高精度蠕動泵(8)的轉(zhuǎn)速不變的情況下，攪拌器的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)直流伺服電機(jī)(11)的轉(zhuǎn)速，將溶氧電極(2)所測得的溶氧值調(diào)整到用戶的設(shè)定值,補(bǔ)料計量系統(tǒng)用于計量脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)所控制的高精度蠕動泵(8)的補(bǔ)料速率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，該裝置中的脈沖補(bǔ) 料控制系統(tǒng)包括溶氧電極(2) 、 A/D轉(zhuǎn)換模塊(3)、工控計算機(jī)及專用控制軟件(4)、電壓輸 出卡(6)、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(7)、高精度蠕動泵(8)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，該裝置中的脈沖補(bǔ) 料控制系統(tǒng)，由工控計算機(jī)(4)給出的脈沖補(bǔ)料指令，經(jīng)過電壓輸出卡(6)轉(zhuǎn)換為模擬信號 量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(7)，轉(zhuǎn)化為一定范圍的電流，驅(qū)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(zhuǎn)換模塊(3)傳輸給工控計算機(jī)(4)，通 過控制軟件計算，指導(dǎo)下一步的補(bǔ)料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，該裝置的脈沖補(bǔ)料 控制系統(tǒng)中，高精度蠕動泵(8)和補(bǔ)料瓶(9)的數(shù)量可根據(jù)需要增加，最多可增加至8個高 精度蠕動泵和8補(bǔ)料瓶，每個蠕動泵連接一個補(bǔ)料瓶。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，該裝置的脈沖補(bǔ)料 控制系統(tǒng)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(bǔ)料速率信號 實(shí)時地傳輸給工控計算機(jī)(4)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，該裝置的脈 沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)中，電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(7)將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬量，驅(qū)動高精度 蠕動泵(8)工作。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，該裝置中補(bǔ)料計量 系統(tǒng)，包括電子天平(10)、補(bǔ)料瓶(9)，電子天平的數(shù)量可以根據(jù)需要增加，每個補(bǔ)料瓶對 應(yīng)一個電子天平。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)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(shí)時地傳輸給工控計算機(jī)(4)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，該裝置中攪拌器轉(zhuǎn) 速控制系統(tǒng)，包括直流伺服電機(jī)(11)、直流伺服電機(jī)驅(qū)動控制器(12)、電壓輸出卡(5)，直 流伺服電機(jī)驅(qū)動控制器(12)通過通信接口與工控計算機(jī)(4)相連，將攪拌器轉(zhuǎn)速信號實(shí)時 地傳輸給工控計算機(jī)(4)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，其特征在于，發(fā)酵罐(1)的容積 為5、10、50L。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種發(fā)酵用脈沖補(bǔ)料控制裝置，它包括發(fā)酵罐、脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)、補(bǔ)料計量系統(tǒng)、攪拌器轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。所述的脈沖補(bǔ)料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極、A/D轉(zhuǎn)換模塊、工控計算機(jī)及專用控制軟件、電壓輸出卡、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、高精度蠕動泵。工作時首先由工控計算機(jī)給出的脈沖補(bǔ)料指令，經(jīng)過電壓輸出卡轉(zhuǎn)換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化為一定范圍的電流，驅(qū)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(zhuǎn)換模塊傳輸給工控計算機(jī)，通過控制軟件計算，指導(dǎo)下一步的補(bǔ)料。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了基于基因工程菌非構(gòu)造式動力學(xué)模型的脈沖補(bǔ)料過程的自動化，適用于基因工程菌發(fā)酵工藝過程的研究和應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)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(xué)