Элементы контроля и управления в биотехнологии

04 Января в 14:02 2565 0


Управление современными процессами культивирования микроорганизмов основывается на значительном объеме информации о технологических процессах и требует выполнения большого числа воздействий для ведения процесса в соответствии с производственными требованиями.

Локальные системы управления, комплектуемые с отдельным оборудованием, не полностью решают задачи автоматизированного управления процессами. Они, как правило, не реализуют логико-программное управление потоками.

В этой связи созданы автоматизированные системы, которые комплексно управляют процессами. В этих системах совмещены информационные функции по контролю технологических параметров процессов и отображению состояния оборудования с управляющими функциями по автоматическому регулированию параметров, логико-программному управлению потоками и отдельными режимами процесса.

Автоматизированные системы управления обеспечивают первичную обработку поступающей с объекта информации, централизованный контроль параметров процесса, обнаружение и сигнализацию технологических и аварийных отклонений параметров, регистрацию важнейших параметров, автоматическое регулирование заданных параметров, логико-программное управление процессом в автоматическом или операторном режимах работы. При автоматизации процессов культивирования микроорганизмов используют приборы контроля и средства управления как общепромышленного, так и отраслевого назначения.

При этом к дозирующим устройствам, датчикам контроля, запорной и регулирующей арматуре предъявляют специальные требования. Они должны легко разбираться для ручной чистки и мойки и обеспечивать возможность их промывки моющими растворами циркуляционным способом, в них должны отсутствовать застойные и недоступные зоны. Детали, контактирующие с питательной и культуральной средами, изготавливаются из специальных материалов. Дозирующие устройства, датчики и арматура должны выдерживать тепловую обработку горячей водой при 95 оС, а в некоторых случаях - стерилизацию острым паром.

Поверхности, контактирующие с культуральной средой, должны быть гладкими, без трещин, выбоин, в которых может развиваться нежелательная микрофлора. При монтаже датчиков на технологических объектах применяют асептические соединения, прокладки и сальники.

Для контроля параметров процесса используют специальные датчики (сенсоры), которые должны быть стерильными, если они помещаются в стерильные области. Измеряются следующие параметры: физические (температура, давление, потребляемая мощность, вязкость и поверхностное натяжение среды, скорости потоков, мутность, вес ферментера); химические (pH среды, концентрация растворенных газов, редокс-потенциал, концентрация субстратов, концентрация продуктов); биологические (RNA, DNA, NADH2, ATP, белок). Биологические параметры измеряют в отобранных пробах вне ферментера, за исключением NADH2, который можно измерять на биотехнологической линии флюрометрическим методом.

Контроль течения процесса осуществляют с помощью компьютера, использование которого особенно важно для ферментаций, в которых субстрат и сырье составляют главную стоимость. Другая необходимость применения компьютерного контроля заключается в возможности оптимизации процесса, которая позволяет получить максимальные продуктивность, выход продукта и увеличить степень конверсии субстрата в продукт.

Преимущество компьютерного контроля состоит также в быстром и эффективном управлении параметрами процесса, хранении и воспроизведении нужных данных, большей гибкости работы производства в соответствии со спросом на продукцию, наиболее надежный контроль загрязненности и безопасности на предприятии. Первичная информация, полученная от системы различных датчиков, с помощью компьютеров превращается в любую удобную стандартную систему единиц. Определяя весь необходимый набор параметров, характеризующих данный процесс, можно с помощью ЭВМ находить оптимальные их соотношения. Для получения четкой модели, описывающей динамику процесса, важно также знать процессы, происходящие внутри клеток.

Компьютерный контроль делят на два типа: прямой цифровой контроль и аппаратурный. В первом случае компьютер получает данные с сенсоров и использует эту информацию для образования сигнала, который посылается обратно в систему управления для эффективного регулирования параметров процесса. В случае аппаратурного контроля компьютер только устанавливает показания существующих аналоговых датчиков.

ЭВМ определяет скорость образования CO2, потребление газового субстрата, коэффициент дыхания, удельную скорость потребления субстратов, экономические коэффициенты, технологические балансы, потребление энергии на единицу объема жидкости и другие параметры. В частности, если количество биомассы непосредственно не определяется, то ее можно рассчитать из модели. Использование математической модели позволяет лучше понимать ферментационный процесс, рассчитать влияние отклонений от стандартных параметров, на результаты ферментации и оптимизировать процесс быстрее и с меньшими затратами, чем с помощью традиционных приемов.

Схема измерения параметров в ферментере при непрерывном процессе биосинтеза клеточной массы представлен на рис. 7.2. В комплекте ЭВМ -ферментер основными элементами являются: ферментер с набором датчиков, измерительных и исполнительных устройств; ЭВМ со своими периферийными устройствами; устройства связи с объектом, осуществляющие сопряжение ЭВМ и ферментера; математическое обеспечение, включающее операционные системы и программы пользователя.

Схема измерений основных параметров в ферментере (схема Н.А. Войнова)
Рис. 7.2. Схема измерений основных параметров в ферментере (схема Н.А. Войнова)

Цели, преследуемые вводом ЭВМ в контур управления, можно сформулировать следующим образом: сделать производство более экономичным за счет оптимизации технологии; увеличить надежность функционирования производства; создать производство мобильным; иметь оперативный доступ к информации о ходе процесса; уменьшить объем трудоемких операций.

На рис. 7.3 представлена структурная схема для реализации программы анализа информации датчиков, работающая как подпрограмма математического обеспечения. Эта подпрограмма позволяет пользователю контролировать работу ферментера, так как она представляет ему следующие данные: характеристики массообмена, величину скорости роста микроорганизмов, массу клеток, количество получаемого продукта, расход энергии, общую эффективность процесса ферментации. Все эти показатели вычисляются по данным, полученным от датчиков, и представляются в численном и графическом виде на дисплее.

Структурная схема реализации программы (схема Н.А. Войнова)
Рис. 7.3. Структурная схема реализации программы (схема Н.А. Войнова)

Управление процессом является частью программы обработки информации, в которой формируется рабочая стратегия по ведению процесса. Можно выделить три основных типа управления процессом: регулирование, программное управление и оптимизация.

Для измерения рН используют систему со стеклянным измерительным электродом и электродом сравнения. ЭДС системы зависит от величины рН контролируемой среды. Под величиной рН понимают меру активности ионов водорода в растворе:
рН = -lg Ан,
где Ан - активность ионов водорода, г-ион/л.

В последние годы по результатам исследования свойств стекла разработаны электроды, с помощью которых можно измерять не только рН, но и концентрацию (активность) ионов натрия, калия, аммония и др. Созданы также электроды с чувствительным элементом из ионообменных смол для измерения концентрации ионов кальция, магния и других ионов, содержащихся в питательных и культуральных средах, при микробиологических исследованиях.

Электродные системы для контроля концентрации ионов состоят из измерительного ионоселективного электрода и вспомогательного электрода сравнения. ЭДС электродной системы зависит от концентрации соответствующего иона в контролируемой среде. По аналогии с рН вводятся величины pNa, рК, рСа и др. В общем виде, обозначив ион символом X, имеем pX = - lg Ах.

На рис. 7.4, а приведена конструкция датчика, используемого для измерения рН в процессах культивирования микроорганизмов. В датчике применен комбинированный электрод 3, выдерживающий стерилизацию паром до 130 °С.

Диапазон измерения электродом рН от 2 до 12. Рабочая длина электрода в зависимости от модификации колеблется в пределах от 120 до 550 мм. Комбинированный электрод - это система, в которой измерительный стеклянный электрод и вспомогательный электрод сравнения помещены в одном корпусе. Электрод устанавливается в корпусе 2 на фторопластовой втулке 13.

Металлический и стеклянный цилиндры 5 и 12, втулка 7, гайка 6 создают герметизированную полость. В нее через узел 8 с манометром подается сжатый воздух, создающий в электроде сравнения избыточное давление. Коаксиальный кабель электрода герметизируется сальниковым уплотнением в виде прокладки 11, втулки 10 и гайки 9. С помощью накидной гайки 1 датчик крепится к установке. Внутренняя часть электрода залита 1 н. раствором НС1 с добавлением глицерина и засыпана кристаллами AgCl. Содержание растворенного кислорода в культуральной жидкости в большей степени измеряют полярографическими анализаторами с твердыми электродами, в которых установлены селективно действующие по отношению к кислороду полимерные мембраны.

Если в измеряемом растворе есть кислород, он диффундирует через разделительную полимерную мембрану к измерительному электроду (катоду), где восстанавливается до гидроксила (в щелочном растворе) или воды (в кислом растворе). На вспомогательном электроде ячейки происходит электрохимическое окисление металла с отдачей электронов во внешнюю цепь. В результате ток, возникающий в цепи электродов электрохимической ячейки, будет пропорционален количеству кислорода, диффундирующего к измерительному электроду в единицу времени.

Применяемые электрохимические ячейки могут быть с внутренним источником поляризационного напряжения (гальванические) и с внешним. В электрохимических ячейках в качестве измерительного электрода (катода) используют золотой, платиновый или палладиевый. Вспомогательный электрод в ячейках гальванического типа может быть из цинка, кадмия или свинца, а в ячейках с внешним источником напряжения - из серебра. Разделительными полимерными мембранами в ячейках служат мембраны из фторопласта - 4, полиэтилена толщиной от 10 до 100 мкм. Концентрацию растворенного кислорода О2 выражают в г/л или через парциальное давление рО2 над раствором.



Конструкции датчиков для измерения pH со стерелизуемым электродом (а) и электрохимической ячейки с внешним источником (б) (рис. Н.А. Войнова)
Рис. 7.4. Конструкции датчиков для измерения pH со стерелизуемым электродом (а) и электрохимической ячейки с внешним источником (б) (рис. Н.А. Войнова)

На рис. 7.4, б приведена конструкция электрохимической ячейки с внешним источником напряжения анализатора «Оксиметр». Ячейка состоит из корпуса 10 и герметично закрепленного в нем блока электродов 9. Последний состоит из катода 1 и анода 4. Катод выполнен из платиновой проволоки диаметром 1 мм, впаянной в стеклянный капилляр; анод представляет собой трубку из серебра с полированной наружной поверхностью. На корпус надета полимерная мембрана 2 толщиной от 10 до 30 мкм, которая крепится резиновым кольцом 3 и защищается втулкой 11. Между корпусом и блоком электродов заливается раствор электролита 13. Корпус ячейки соединен гайкой 7 через прокладку 6 с втулкой 5.

На корпусе крепится кольцо, которое обеспечивает возможность герметичной установки датчика в сосуде со стандартным шлифом 8. Защита ячейки при транспортировке осуществляется с помощью патрона 12. В преобразователе имеется стабилизированный источник постоянного тока, от которого на ячейку накладывается напряжение для осуществления полярографического способа измерения. Для каждой восстановленной на катоде молекулы имеет место соответствующая окислительная реакция на аноде, которая является причиной деградации анода и расхода электролита. Оба этих процесса неизбежно приводят к дрейфу показаний и занижению результатов.

В связи с этим представляют интерес датчики, основанные на люминесцентном излучении вещества люминофора, что сводит измерение концентрации кислорода к чисто физическому фиксированию интервала времени. Данное явление определяется как способность определенных материалов (люминофоров) испускать излучение не в результате нагрева, а в результате возбуждения иного рода. Поскольку процесс измерения времени в принципе не подвержен дрейфу, датчик не требует регулярной калибровки и обслуживания.

Концентрация CO2 и других отходящих газов также определятся по температуропроводности газов в специальных газовых анализаторах. Принцип движения газа в анализаторе представлен на рис. 7.5. Входящий воздух при помощи насоса отправляется в холодильник, который обеспечивает освобождение воздуха от содержащейся в нем влаги.

Конденсат выводится из прибора. Попадание влаги на детекторы может привести к поломке прибора. Использование дополнительного насоса позволяет также поддерживать постоянную скорость протока воздуха, что необходимо для обеспечения воспроизводимости получаемых результатов. После подготовки воздух направляется в измеряющие ячейки.

Так как зачастую необходимо получать данные не с одного, а с нескольких аппаратов, предусмотрено использование для этих целей «распределитель» каналов.

Схема движения газа в анализаторе
Рис. 7.5. Схема движения газа в анализаторе

Автоматический химический анализатор BioProfile 400 анализирует в реальном времени основные питательные компоненты и метаболиты. Этот многоканальный анализатор позволяет измерять десять параметров, включая глюкозу, лактат, глютамин, глютамат, аммоний, рН, РО2, РСО2, натрий, калий.

Результаты анализов сообщаются менее чем через 3 мин. Прибор может использоваться вместе с дополнительным компонентом On-Line Autosampler для автоматического одновременного анализа параметров с четырёх биореакторов.

Результаты измерений представляются на дисплее и распечатываются на встроенном принтере. Прибор включает потенциометрические электроды (в измерениях pH, PCO2, NH4+, Na+, K+), биосенсоры для глюкозы, лактата, глютамина и глютамата - это амперометрические электроды, в мембране которых содержатся иммобилизованные ферменты.

Измерение концентрации микроорганизмов в культуре. В технической микробиологии концентрацию микроорганизмов выражают как плотность микробной популяции, т.е. концентрацию жизнеспособных клеток в единице объема культуральной жидкости. Одним из методов определения плотности популяции микроорганизмов является подсчет количества колоний при высеве на плотные питательные среды.

Для автоматического подсчета колоний бактерий на чашках Петри создан прибор «Биоматик» фирмы Фосс-Электрик, который состоит из измерительного устройства с телекамерой, монитора с телевизионным экраном и блока счета и регистрации результатов. Чашки Петри без крышек размещают под объективом прибора. Изображение анализируемой поверхности развертывается электронным пучком.

Каждый раз, когда электронный пучок пересекает частицу, изменяется сила тока, что фиксируется блоком счета и регистрации результатов. Максимальный диаметр подсчитываемых колоний до 0,15 мм. Относительная погрешность счета до ±5 %. Прибор позволяет подсчитывать колонии бактерий до 180 чашек Петри в течение часа.

Проведенные исследования показали, что оптически прозрачные среды позволяют использовать метод контроля, основанный на деформации световой энергии в клеточной суспензии. Он заключается в измерении интенсивности светового потока, прошедшего через слой жидкости. Оптическая плотность контролируется фотоэлектрическим прибором общепромышленного назначения. Измерения проводят при определенной длине светового потока.

Перспективными инструментальными методами контроля концентрации микроорганизмов в жидкости являются методы дисперсионного анализа клеток (кондуктометрический и оптический). Указанные методы позволяют контролировать не только общее количество клеток, но и их распределение по размерам, что по существу является обобщенным морфолого-физиологическим портретом популяции.

Биологические датчики представляют собой сочетание разнообразных биологических материалов, способных различать молекулы биологических тел (к числу таких материалов можно отнести ферменты, микроорганизмы, антигены и антитела, лигандовые рецепторы, пробы RNA и DNA и т.д.) с физико-химическими устройствами.

В настоящее время существует несколько типов биосенсоров, отличающихся прежде всего принципами детекции хода ферментативной реакции. Это ферментные электроды, ферментные микрокалориметрические датчики и биодатчики на основе хеми- и биолюминесценции.

Ферментные электроды используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Они представляют собой электроды с нанесенным поверхностным слоем (каким-либо природным полимером), содержащим один или несколько иммобилизованных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом состоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной).

Ферментные микрокалориметрические датчики используют тепловой эффект ферментативной реакции, состоят они из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительную колонку анализируемого образца происходит химическая реакция, которая сопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.

Хеми- и биолюминесцентные датчики регистрируют световое излучение с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужденном состоянии. Конструкционно они включают колонку с иммобилизованными на носителе ферментами (люциферазой, пероксидазой) и светоприемное устройство. Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется прежде всего крайне высокой чувствительностью.

Большие перспективы для аналитических и диагностических целей имеют биологические микрочипы - миниатюрные устройства для проведения различных биохимических анализов. Это микропластинки с нанесенными на них с большой частотой включений реакционноспособных агентов, способных взаимодействовать с теми или иными веществами в составе анализируемых образцов.

Для измерения технологических параметров процессов ферментации в производственных установках, как правило, используют термопары и термометры сопротивления: платиновые (ТСП) и медные (ТСМ). Чувствительные элементы (из платиновой или медной проволоки) заключены в защитный патрон из нержавеющей стали.

Давление и разряжение измеряют датчиками с чувствительным элементом из одновитковой или многовитковой трубчатой пружины, а также сильфонными с чувствительным элементом из тонкостенных гофрированных сильфонов.

Чувствительные элементы датчиков имеют застойные зоны, которые не промываются, поэтому их используют в комплекте со специальными разделительными устройствами типа РМ, предохраняющими чувствительные элементы от попадания измеряемой среды. Упругим элементом разделительного устройства типа РМ служит мембрана, прогибающаяся пропорционально измеряемому давлению и передающая через разделительную среду чувствительному элементу - датчику давления.

В условиях асептических производств лучшими дозирующими насосами являются перистальтические и мембранные.
Принцип действия индукционного расходомера основан на измерении ЭДС, индуктируемой в электропроводной жидкости. Величина ЭДС пропорциональна скорости потока жидкости.

Наличие пены, интенсивное перемешивание не позволяют применять обычные методы измерения уровня. В этой связи целесообразно применять весовой тип уровнемера, в котором датчики, фиксирующие массу аппарата, передают свой сигнал на прибор, отградуированный в единицах уровня. Для сигнализации предельного уровня в резервуарах применяют кондуктометрические приборы.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы