CN107475106A - 一种全自动智能发酵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种全自动智能发酵控制系统，包括发酵罐，PLC控制模块、压力传感器、压力调节阀、温度传感器、加热装置、转速传感器，泡沫传感器、机械消沫装置、PH传感器、补酸蠕动泵、补碱蠕动、质量流量控制器、DO溶氧仪、灭菌装置。本发明的优点在于，PLC控制模块采集得到发酵全过程的数据信息，通过这些反馈数据信息系统进行自动程序化控制发酵全过程，使发酵过程各阶段控制更为及时与精准。最大限度减少人工操作，节省人力和成本，提高发酵收率和生产效率。

Description

一种全自动智能发酵系统
技术领域
本发明属于发酵设备技术领域，具体为一种全自动智能发酵系统。
背景技术
发酵罐是一种生物反应器，生物反应器是指为活细胞或酶提供适宜的反应环境，让它们进行细胞增殖或生产的装置系统。生物反应器为细菌的生长和繁殖提供适宜的生长环境，促进菌体生产人们需要的产物。
目前，国内的发酵罐制作都不存在太大的差距，但控制系统部差别很大，其中主要分为两大类，一类是单片机组成的集散控制的DCS群控系统，这类控制存在大量的电气电路支持单片机，电气元器件的质量在运行过程中起了很重要的作用，此类控制系统的特点是成本低，操作系统较为繁琐，运行质量不佳，维修费用高。另一类是PLC集成模块可编程控制系统及相应的总线控制技术。该系统采用控制模块(PLC)及现场触摸屏操作，其操作简单智能化，参数一次性输入，全自动化程度高，同时，可根据用户的工艺条件要求自行编程设定。该系统已达到世界上发酵控制系统的先进水平。该系统的特点是成本高，但操作简单易懂，运行质量稳定，维修费用低。
但是，无论上述哪种发酵罐的控制系统都只能实现发酵温度、PH或转速的自动控制，无法实现灭菌、调节压力、调节空气流量等环节的自动控制，所以，能够使发酵中各个环节做到智能控制，人工干预越少则成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为解决背景技术中描述的技术问题，本发明提供了一种全自动智能发酵系统，其实现的目的为，最大限度保证发酵各个环节都能进行智能化控制、调节，节省人工工作量和成本。
为了实现上述目的，本发明公开的技术方案为：本发明提供的一种全自动只能发酵系统，包括发酵罐、PLC控制模块、与发酵罐连接的压力传感器，在压力传感器与发酵罐连接的排气管路上串接有压力调节阀，压力传感器将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的气压阈值，开启/关闭压力调节阀；
该系统还包括温度传感器和加热装置，温度传感器检测发酵罐内部的温度，并将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的温度阈值，控制加热装置的工作；
该系统还包括转速传感器，转速传感器与发酵罐中搅拌装置的驱动装置信号连接，转速传感器将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的转速阈值，调节发酵罐中搅拌装置的驱动装置工作参数；
该系统还包括泡沫传感器，泡沫传感器检测发酵罐内的泡沫量，并将该信息发送至PLC控制模块，PLC控制模块分析处理后，将指令发送至机械消沫装置；
该系统还包括与发酵罐连接的PH传感器、补酸蠕动泵、补碱蠕动泵，PH传感器将检测的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的发酵罐内PH值阈值，开启/关闭补酸蠕动泵、补碱蠕动泵；
该系统还包括与发酵罐连接的质量流量控制器，质量流量控制器将检测的空气通气量数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设空气通气量，控制质量流量控制器的工作；
该系统还包括与发酵罐连接的DO溶氧仪，DO溶氧仪检测发酵罐内物料中溶解氧含量，并将数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的溶解氧含量阈值，在PLC控制模块预设控制压力调节阀、质量流量控制器、搅拌装置的驱动装置、加热装置工作的顺序调节溶解氧含量，使发酵罐内物料中的溶解氧含量符合预设条件；
该系统还包括用于为发酵系统灭菌的灭菌装置，灭菌装置通过管道、阀门与上述组成发酵系统的各部件连通，阀门与PLC控制模块信号传输，根据在PLC控制模块预设的阀门开启/关闭次序，完成灭菌工作。
本发明采集发酵过程中所有的条件参数，可通过预先在PLC控制模块上预设条件参数阈值，来控制各执行机构的工作状态，例如，在发酵开始时，需要对发酵罐进行灭菌，本发明可预先在PLC控制模块内采用任一种计算机化的语言设定灭菌的时间、温度、整个发酵系统管道阀门开启/关闭次序等参数，这样则可实现信息化的自动灭菌，而现有技术中灭菌采用手动操作，操作人员在发酵灭菌期间一直需要调节手动阀门来控制灭菌温度，发酵灭菌时间一般最低都需要几小时(根据罐体大小时间会更长)，人员效率低下，灭菌温度重复性差，不但控制精度不能保证，而且容易会因人为因素增加实验失败风险，使运营成本变高，所以，本发明避免了现有技术中手工灭菌的这些缺陷，从而实现节省人工，也使得灭菌时间和温度精确控制的技术效果。
以上述采用本发明自动控制灭菌举例，本发明同样可实现自动控制发酵全过程的各个参数，代替人工控制，减少人工的工作时间及成本，及时获取发酵过程的各种参数条件，更为精确的调节发酵过程所需的各种参数条件，使发酵更为充分，提高发酵产物的质量和工作效率。
进一步的，所述灭菌装置为蒸汽发生器，本发明采用效果最好、使用最为简便的蒸汽灭菌。
进一步的，加热装置包括水箱、水泵、止回阀、加热器、冷水阀、水管外接冷水阀，流经止回阀经水泵输送至水箱，加热器、冷水阀对水箱加热或冷却，水箱中的水流经发酵罐夹套对发酵罐加热/降温并最终经过水管、止回阀、水泵再流回水箱中，采用循环水为发酵罐提供温度环境；
其中，加热器、冷水阀、水泵与PLC控制模块信号传输。
本发明采用循环水来提供发酵罐体内的温度环境，现有的加热器、冷水阀、水泵大多都带有控制器，能够接受信号来实现控制，温度传感器实时获取温度，并将信息发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的阈值，控制加热器、冷水阀、水泵的工作状态，例如，超出阈值则关闭加热器，打开冷水阀，不需要加热装置工作时，则关闭加热器和开启冷水阀与水泵。
进一步的，机械消沫装置为消沫浆、超声波发生器、离心锥碟消沫器、旋风分离器中任意一种，
其中，消沫浆安装于发酵罐内部顶端，并连接于发酵罐的驱动装置的输出轴上；
超声波发生器安装于发酵罐内部顶端，与PLC控制模块信号传输；
离心锥碟消沫器、旋风分离器分别与发酵罐内部连通，并分别与PLC控制模块信号传输。
当泡沫传感器检测到发酵罐内部产生泡沫时，PLC通过控制机械消沫装置，对发酵罐内进行消泡处理，当不产生泡沫或产生的泡沫不影响发酵时，工作停止。
进一步的，所述消泡装置为消泡蠕动泵，消泡蠕动泵将消泡剂输送入发酵罐中，添加消泡剂消泡，还可通过PLC控制模块定量添加消泡剂进行消泡。
进一步的，该系统还包括第一流加蠕动泵，第一流加蠕动泵与PLC控制模块信号传输，PLC控制模块获取PH传感器检测到的数据，根据PLC控制模块预设的参数，PLC控制模块开启/关闭第一流加蠕动泵，物料通过第一流加蠕动泵进入发酵罐来调节发酵罐内物料的PH值。现有技术中一般都是通过加酸、加碱的方式来调节PH，本发明发现在发酵培养后期诱导后蛋白表达期间，通过补料(碳源)的方式，确保PH值，能够提高蛋白收率与表达量。
进一步的，该系统还包括第二流加蠕动泵，第二流加蠕动泵与PLC控制模块信号传输，PLC控制模块获取DO溶氧仪检测到的数据，根据PLC控制模块预设的参数，PLC控制模块开启/关闭第二流加蠕动泵，物料通过第二流加蠕动泵进入发酵罐来调节发酵罐内物料的溶解氧。现有技术都是手动的控制溶解氧，本发明可通过PLC控制模块智能控制补料(氮源)量，确保发酵物料中溶解氧D0值，提高蛋白收率与表达量。
进一步的，该系统还包括显示模块，显示模块将从PLC控制模块获取的信息生成可视化显示。可将发酵全过程中的各种参数，各种器件的工作状态都进行显示，使工作人员能够清晰的掌握发酵各个过程的情况。
进一步的，该系统还包括触摸屏，触摸屏与PLC控制模块连接，PLC控制模块包括参数设定模块，用户通过触摸屏进行参数的设定。本发明还可以使用户输入设定各种参数，从而发酵全过程根据用户设定的参数进行。
进一步的，发酵罐上安装有视灯，视灯与PLC控制模块信号传输。当发酵系统工作时视灯亮起，用以提示。
采用上述技术方案，本发明的有益效果包括：在发酵全过程中最大限度减少人工操作，节省人力和成本，PLC控制模块采集得到发酵全过程的数据信息，通过这些反馈数据信息系统进行自动程序化控制发酵全过程，使发酵过程各阶段控制更为及时与精准。减最大限度少人工操作，节省人力和成本，提高发酵收率和生产效率。
附图说明
图1为实施例一中本发明系统结构示意图；
图2为实施例二中本发明系统结构示意图；
图中，1、发酵罐；2、灭菌装置；3、压力传感器；4、加热装置；5、机械消沫装置；6、补酸蠕动泵；7、补碱蠕动泵；8、质量流量控制器；9、驱动装置；10、压力调节阀；11、水箱；12、水泵；13、止回阀；14、水管；15、第一流加蠕动泵；16、第二流加蠕动泵；17、视灯。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明做进一步的详细描述。
实施例一：本发明提供的一种全自动智能发酵系统，参照图1所示，包括发酵罐1、PLC控制模块、与发酵罐连接的压力传感器3，在压力传感器与发酵罐连接的排气管路上串接有压力调节阀10，压力传感器将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的气压阈值，开启/关闭压力调节阀；
该系统还包括温度传感器和加热装置4，温度传感器检测发酵罐内部的温度，并将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的温度阈值，控制加热装置的工作；进一步的，加热装置包括水箱11、水泵12、止回阀13、加热器、水管14、冷水阀、水管外接冷水阀，流经止回阀经水泵输送至水箱，加热器、冷水阀对水箱加热或冷却，水箱中的水流经发酵罐对发酵罐加热/降温并最终经过水管、止回阀、水泵再流回水箱中，采用循环水为发酵罐提供温度环境；
其中，加热器、冷水阀、水泵与PLC控制模块信号传输。
该系统还包括转速传感器，转速传感器与发酵罐中搅拌装置的驱动装置9信号连接，转速传感器将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的转速阈值，调节发酵罐中搅拌装置的驱动装置工作参数；
该系统还包括泡沫传感器，泡沫传感器检测发酵罐内的泡沫量，并将该信息发送至PLC控制模块，PLC控制模块分析处理后，将指令发送至机械消沫装置5；
该系统还包括与发酵罐连接的PH传感器、补酸蠕动泵6、补碱蠕动泵7，PH传感器将检测的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的发酵罐内PH值阈值，开启/关闭补酸蠕动泵、补碱蠕动泵；
该系统还包括与发酵罐连接的质量流量控制器8，质量流量控制器将检测的空气流量数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的条件，控制质量流量控制器的工作；
该系统还包括与发酵罐连接的OD溶氧仪，OD溶氧仪检测发酵罐内物料中溶解氧含量，并将数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的溶解氧含量阈值，在PLC控制模块预设控制压力调节阀、质量流量控制器、搅拌装置的驱动装置、加热装置工作的顺序调节溶解氧含量，使发酵罐内物料中的溶解氧含量符合预设条件；
该系统还包括用于为发酵系统灭菌的灭菌装置2，灭菌装置通过管道、阀门与上述组成发酵系统的各部件连通，阀门与PLC控制模块信号传输，根据在PLC控制模块预设的阀门开启/关闭次序，完成灭菌工作。
该系统还包括第一流加蠕动泵15，第一流加蠕动泵与PLC控制模块信号传输，PLC控制模块获取PH传感器检测到的数据，根据PLC控制模块预设的参数，PLC控制模块开启/关闭第一流加蠕动泵，物料通过第一流加蠕动泵进入发酵罐来调节发酵罐内物料的PH值。
进一步的，该系统还包括第二流加蠕动泵16，第二流加蠕动泵与PLC控制模块信号传输，PLC控制模块获取OD溶氧仪检测到的数据，根据PLC控制模块预设的参数，PLC控制模块开启/关闭第二流加蠕动泵，物料通过第二流加蠕动泵进入发酵罐来调节发酵罐内物料的溶解氧。
酵罐上安装有视灯17，视灯与PLC控制模块信号传输。
采用本发明发酵系统时，在PLC控制模块预设好灭菌的时间、发酵各个阶段的压力、温度、溶解氧含量、搅拌速度、泡沫量、PH环境这些参数，在发酵过程中通过上述传感器实时采集发酵过程中的上述参数，PLC控制模块将采集得到的上述参数与预设的比对，根据比对结果做出指令，例如温度低于阈值了，则加热装置开启加热，压力高于阈值，则通过压力调节阀调节气压等等，用以实现对发酵全过程的精准控制。
以采用本发明方法调节溶解氧含量为例，现有技术空气流量手动调节，操作人员在发酵培养期间需要一直调节发酵装置手动进气阀与排气阀来调节转子流量计来保证溶解氧(OD)值，不但人员效率低下，而且不能保证通气流量的精度与稳定性，由于硬件、软件的缺失不能对培养参数进行智能控制，会增加因为人为因素的原因导致发酵结果差或失败，使运营成本变高。本发明在调节溶解氧时，可以采用PLC控制模块进行联动机制，例如当OD溶解氧检测到氧不足时，可以先启用压力调节阀，如果还达不到条件，可以采用质量流量控制器允许空气进入，如果再达不到条件，则可以通过搅拌装置的驱动装置加快转速来调节，最后还可以启用加热装置来进行调节，完全都可以采用PLC控制模块精准控制，所以，本发明避免了现有技术中手工调节溶解氧含量的这些缺陷，从而实现节省人工，也使得调节的溶解氧含量更精确的技术效果。
本发明通过增设的第一流加蠕动泵和第二流加蠕动泵，还可以实现不通过添加酸、碱的方式，通过添加物料的方式来实现维持设定的PH、溶解氧含量。
实施例二：本发明提供的一种全自动智能发酵系统，包括发酵罐、PLC控制模块、与发酵罐连接的压力传感器，在压力传感器与发酵罐排气管路上串接有压力调节阀，压力传感器将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的气压阈值，开启/关闭压力调节阀；
该系统还包括温度传感器和加热装置，温度传感器检测发酵罐内部的温度，并将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的温度阈值，控制加热装置的工作；
该系统还包括转速传感器，转速传感器与发酵罐中搅拌装置的驱动装置信号连接，转速传感器将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的转速阈值，调节发酵罐中搅拌装置的驱动装置工作参数；
该系统还包括泡沫传感器，泡沫传感器检测发酵罐内的泡沫量，并将该信息发送至PLC控制模块，PLC控制模块分析处理后，将指令发送至机械消沫装置；
该系统还包括与发酵罐连接的PH传感器、补酸蠕动泵、补碱蠕动泵，PH传感器将检测的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的发酵罐内PH值阈值，开启/关闭补酸蠕动泵、补碱蠕动泵；
该系统还包括与发酵罐连接的质量流量控制器，质量流量控制器将检测的空气通气量数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的空气通气量，控制质量流量控制器的工作；
该系统还包括与发酵罐连接的OD溶氧仪，OD溶氧仪检测发酵罐内物料中溶解氧含量，并将数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的溶解氧含量阈值，在PLC控制模块预设控制压力调节阀、质量流量控制器、搅拌装置的驱动装置、加热装置工作的顺序调节溶解氧含量，使发酵罐内物料中的溶解氧含量符合预设条件；
该系统还包括用于为发酵系统灭菌的灭菌装置，灭菌装置通过管道、阀门与上述组成发酵系统的各部件连通，阀门与PLC控制模块信号传输，根据在PLC控制模块预设的阀门开启/关闭次序，完成灭菌工作，参照图2所示，可在PLC控制模块设置阀门A1-A14逐个开启的顺序，来实现灭菌工作。
更为具体的，所述灭菌装置为带有控制器的蒸汽发生器。
更为具体的，机械消沫装置为消沫浆、超声波发生器、离心锥碟消沫器、旋风分离器中任意一种，
其中，消沫浆安装于发酵罐内部顶端，并连接于发酵罐的驱动装置的输出轴上；
超声波发生器安装于发酵罐内部顶端，与PLC控制模块信号传输；
离心锥碟消沫器、旋风分离器分别与发酵罐内部连通，并分别与PLC控制模块信号传输。
该系统还包括第一流加蠕动泵，第一流加蠕动泵与PLC控制模块信号传输，PLC控制模块获取PH传感器检测到的数据，根据PLC控制模块预设的参数，PLC控制模块开启/关闭第一流加蠕动泵，物料通过第一流加蠕动泵进入发酵罐来调节发酵罐内物料的PH值。
该系统还包括第二流加蠕动泵，第二流加蠕动泵与PLC控制模块信号传输，PLC控制模块获取OD溶氧仪检测到的数据，根据PLC控制模块预设的参数，PLC控制模块开启/关闭第二流加蠕动泵，物料通过第二流加蠕动泵进入发酵罐来调节发酵罐内物料的溶解氧。
进一步的，该系统还包括显示模块，显示模块将从PLC控制模块获取的信息生成可视化显示。
进一步的，该系统还包括触摸屏，触摸屏与PLC控制模块连接，PLC控制模块包括参数设定模块，用户通过触摸屏进行参数的设定。
用户可以对发酵全过程进行参数的设定，尤其是本发明增设的第一流加蠕动泵、第二流加蠕动泵，用户可通过参数设定模块设定不通过添加酸或碱的方式维持PH的设定值，以及不通过质量流量控制器增加通入外界空气来维持溶解氧含量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全自动智能发酵系统，包括发酵罐，其特征在于，该系统包括PLC控制模块、与发酵罐连接的压力传感器，在压力传感器与发酵罐排气管路上串接有压力调节阀，压力传感器将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的气压阈值，开启/关闭压力调节阀；
该系统还包括温度传感器和加热装置，温度传感器检测发酵罐内部的温度，并将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的温度阈值，控制加热装置的工作；
该系统还包括转速传感器，转速传感器与发酵罐中搅拌装置的驱动装置信号连接，转速传感器将检测得到的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的转速阈值，调节发酵罐中搅拌装置的驱动装置工作参数；
该系统还包括泡沫传感器，泡沫传感器检测发酵罐内的泡沫量，并将该信息发送至PLC控制模块，PLC控制模块分析处理后，将指令发送至机械消沫装置；
该系统还包括与发酵罐连接的PH传感器、补酸蠕动泵、补碱蠕动泵，PH传感器将检测的数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的发酵罐内PH值阈值，开启/关闭补酸蠕动泵、补碱蠕动泵；
该系统还包括与发酵罐连接的质量流量控制器，质量流量控制器将检测的空气通气量数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的空气通气量，控制质量流量控制器的工作；
该系统还包括与发酵罐连接的DFO溶氧仪，DO溶氧仪检测发酵罐内物料中溶解氧含量，并将数据发送至PLC控制模块，根据在PLC控制模块预设的溶解氧含量阈值，在PLC控制模块预设控制压力调节阀、质量流量控制器、搅拌装置的驱动装置、加热装置工作的顺序调节溶解氧含量，使发酵罐内物料中的溶解氧含量符合预设条件；
该系统还包括用于为发酵系统灭菌的灭菌装置，灭菌装置通过管道、阀门与上述组成发酵系统的各部件连通，阀门与PLC控制模块信号传输，根据在PLC控制模块预设的阀门开启/关闭次序，完成灭菌工作。
2.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，所述灭菌装置为蒸汽发生器。
3.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，加热装置包括水箱、水泵、止回阀、加热器、水管、冷水阀，水管外接冷水阀，流经止回阀经水泵输送至水箱，加热器、冷水阀对水箱加热或冷却，水箱中的水流经发酵罐对发酵罐加热/降温并最终经过水管、止回阀、水泵再流回水箱中，采用循环水为发酵罐提供温度环境；
其中，加热器、冷水阀、水泵与PLC控制模块信号传输。
4.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，机械消沫装置为消沫浆、超声波发生器、离心锥碟消沫器、旋风分离器中任意一种，
其中，消沫浆安装于发酵罐内部顶端，并连接于发酵罐的驱动装置的输出轴上；
超声波发生器安装于发酵罐内部顶端，与PLC控制模块信号传输；
离心锥碟消沫器、旋风分离器分别与发酵罐内部连通，并分别与PLC控制模块信号传输。
5.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，所述消泡装置为消泡蠕动泵，消泡蠕动泵将消泡剂输送入发酵罐中，通过添加消泡剂消泡。
6.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，该系统还包括第一流加蠕动泵，第一流加蠕动泵与PLC控制模块信号传输，PLC控制模块获取PH传感器检测到的数据，根据PLC控制模块预设的参数，PLC控制模块开启/关闭第一流加蠕动泵，物料通过第一流加蠕动泵进入发酵罐来调节发酵罐内物料的PH值。
7.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，该系统还包括第二流加蠕动泵，第二流加蠕动泵与PLC控制模块信号传输，PLC控制模块获取DO溶氧仪检测到的数据，根据PLC控制模块预设的参数，PLC控制模块开启/关闭第二流加蠕动泵，物料通过第二流加蠕动泵进入发酵罐来调节发酵罐内物料的溶解氧。
8.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，该系统还包括显示模块，显示模块将从PLC控制模块获取的信息生成可视化显示。
9.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，该系统还包括触摸屏，触摸屏与PLC控制模块连接，PLC控制模块包括参数设定模块，用户通过触摸屏进行参数的设定。
10.根据权利要求1所述的全自动智能发酵系统，其特征在于，发酵罐上安装有视灯，视灯与PLC控制模块信号传输。
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