[发明专利]用于发酵过程优化与数据放大的BIORADAR系统

说明书

本发明涉及控制发酵工艺的计算机控制系统，具体涉及一种用于发酵过程优化与数据放大的生物过程检测(BIORADAR)系统。

发酵罐在生物技术产业化过程中具有重要地位，而发酵罐中所进行的微生物发酵实质上是在分子水平的遗传特性、细胞水平的代谢调节和工程水平的传递特性三个不同方向上发生调控的。发酵过程的复杂性和高度非线性等诸多因素以及多容量过程特征，使系统具有动态性和不可预测性。发酵过程要达到过程优化与数据放大的目标，必须要有成熟的发酵过程参数检测技术的支持。因此，在小试、中试和生产规模的发酵罐上必须配置有大量的传感器，对物化和生物等各种参数进行在线或离线测量，才能为过程分析和优化控制提供充分有效的数据。FUS-50L(A)自控发酵罐(见另案专利申请)为实现上述功能奠定了坚实的基础。

但是，光有稳定可靠的硬件是远远不够的。用于过程研究的各种自控发酵罐要有一套高性能的软件系统去指挥它完成各种各样的任务。发酵过程的复杂性，使得开发一个适应多种反应器特点，融合各种过程理论和控制理论，便于发酵过程工艺分析和优化操作的软件包，成为一个迫切需要解决的课题。

目前，市场上的许多发酵罐控制软件，大多用组态语言进行二次开发。如美国Wonderware公司的InTouch,LTC公司的LABTECH,National Instrument公司的LabView,GCG公司的Onspect和台湾研华公司的Genie等组态语言，一般都具有组态方便的优点。它们提供的开放性架构，允许用户通过编写自己的动态连接库(DLL)或动态数据交换(DDE)客户程序来扩展原有程序的功能。用组态语言进行发酵罐控制软件设计有编程简便等优点，但其开放性很是有限，灵活性在一定程度上受到限制，很难完全按自己的愿望进行功能扩充。例如美国NEW BRUNSWICKSCIENTIFIC CO.INC.公司的AFS-Biocommand软件与实验室发酵罐装置；德国B.Braun公司，其软件是基于Windows系统下开发的用于NBS发酵罐与细胞培养的参数检测与控制系统。但这些装置都是基于生物过程动力学为基础的最优控制操作点进行设计，因此提供的有关传感器配置、二次仪表、计算机控制系统与应用软件只是对操作点的数据变化进行显示、储存和记录，不能做进一步的曲线相关分析，因此只能停留在以人工经验为主的实验操作。

本发明的目的在于根据细胞代谢流及发酵罐物料流的概念和理论，开发为实现发酵产品过程工艺优化及用于工业生产的数据放大的计算机控制系统。

本发明首先基于对发酵过程的复杂性、高度非线性等诸多因素以及多容量过程特征，使系统具有动态性和不可预测性的认识，在发酵过程优化和放大时，不以建立数学模型为唯一方法，而采用了以采集过程数据为先导的数据驱动型方法。

本发明认为发酵罐中所进行的微生物发酵实质上是在分子水平的遗传特性、细胞水平的代谢调节和工程水平的传递特性三个不同水平上发生调控的，因此区分发酵过程中以上三个不同水平的问题是数据驱动型方法的主要目标。

本发明又进一步提出细胞代谢物质流所引起的生物反应器物料流变化的相关特性，是研究上述三个水平问题，并实现过程的数据优化和放大的基本内容，提出了发酵过程参数曲线相关的各种研究方法，并在本系统编制的软件中体现。

本发明提供了用于发酵过程优化与数据放大的BIORADAR系统。本发明BIORADAR系统由发酵罐、上位计算机、下位计算机和软件包体系构成，其中软件包体系由主线程、采样线程、过程分析的控制线程、报警线程和储存线程组成。

本发明的BIORADAR系统有如下特点：

①本发明考虑了发酵过程工艺分析中的各种可能情况，开发了一个适应多种反应器特性，融合各种过程理论和控制理论的软件包，以及相应的不同容量的发酵罐的设计、传感器配置、二次仪表和计算机控制系统(如图1发酵过程测控系统所示)。

图1中各序号分别表示1温度传感器；2pH传感器；3溶解氧(DO)传感器；4全罐(含料)秤量传感器；5尾气CO₂接口；6尾气O₂接口；7测速传感器；8压力传感器；9消泡传感器；10热质量流量计；11高精度蠕动泵；12基质补料电子秤；13前体或油电子秤；14酸碱物电子秤；15循环泵；16电磁阀；17数/模转换器；18模/数转换器；19下位机；20上位机；21调制解调器；22料瓶；23稀土电机；24预热器。