Автоматизация технологических процессов в различных отраслях промышленности способствует сокращению основного обслуживающего персонала, облегчению условий, повышению культуры и безопасности труда. В связи с автоматизацией процессов микробиологического синтеза наиболее важное значение приобрели датчики для измерения и регистрации параметров, характеризующих технологические процессы. Датчики представляют собой технические средства для сбора и первичной обработки контрольно-измерительной информации. Они являются основными элементами в устройствах регулирования и управления, в измерительных приборах, контролирующих жизнедеятельность микробных популяций.

С точки зрения микробиолога, лучше применять бесконтактные датчики, но это не всегда возможно, особенно для процесса ферментации. Датчик должен прежде всего выдерживать стерилизацию острым паром в течение сравнительно длительного времени. Необходимость соблюдения стерильности обусловливает применение вполне определенных способов и средств измерений, а также вызывает потребность в дополнительных устройствах (пробоотборные системы). Стерилизация паром технологического оборудования и установленных на нем средств измерений сказывается на их работе. Например, при стерилизации ротаметров наблюдаются гидроудары, приводящие к резким перемещениям поплавка, что вызывает быстрый износ гнезда.

На точность измерения параметров в микробиологических производствах дополнительное влияние оказывают специфичность технологии и оборудования и состав сред, в частности, неоднородность состава продукта в аппаратах, емкостях и партиях, расслаивание продуктов в трубопроводах. Сложный и значительно меняющийся состав сырья, промежуточных и готовых продуктов затрудняет определение объективных параметров процессов.

При длительной эксплуатации средств измерения происходят износ, старение, деформация, коррозия, загрязнения и другие изменения их элементов. Наличие в среде взвешенных веществ, агрессивных примесей, пузырьков воздуха и других компонентов влияет на чувствительные элементы датчиков и на точность измерения контролируемых ими параметров. Специфические условия микробиологических производств: стерилизация, наличие агрессивных и загрязненных сред, повышенная вибрация и влажность окружающей среды и другие – ускоряют эти нежелательные процессы. Кроме этих факторов на объективность измерений параметров существенное влияние оказывает выбор места установки датчика.

Формулируя общие требования к датчикам как к первичным приборам контроля и управления производственными процессами, необходимо учитывать их надежность в конкретных условиях эксплуатации; возможность многократных стерилизаций; место установки (контролируемая среда не должна забивать рабочую область датчика). Вторичные измерительные приборы, располагаемые у оборудования, связываются с датчиком посредством согласованного кабеля. Эти приборы должны обеспечивать проведение как дискретных, так и непрерывных измерений с записью на самописец или с выходом на цифропечатающее устройство.

К основным измеряемым и регулируемым параметрам в микробиологических производствах относятся температура, давление, расход и уровень жидкости, рН, концентрации кислорода, диоксида углерода, углеводов, микроорганизмов, сухих веществ, влажность. Теплоэнергетические параметры измеряют в основном автоматическими методами, качественные показатели – лабораторными и в отдельных случаях – автоматическими.

Температура. Ее обычно измеряют в пределах от 15…20 до 350…400 °С. Наиболее распространены датчики температуры – стеклянные термометры. Автоматическое измерение температур производят в основном термометрами сопротивления (ТС) из медной и платиновой проволоки. В промышленности ТС применяют в комплекте с логометрами, автоматическими мостами и измерительными преобразователями.

Класс точности современных автоматических мостов (например, типа КСМ-4) позволяет контролировать температуру стерилизации и рабочую температуру на одной шкале 0…150 °С. В настоящее время чаще всего используется стабилизация температуры на одном уровне в течение всего процесса ферментации. Однако имеются технологии, в которых обоснована необходимость ее программного изменения в ходе процесса. Осуществление подобных температурных программ возможно с помощью программных регуляторов – ПРН-1, ПР-2 и ЭПЛ.

Давление, разрежение и перепад давления. В процессе биосинтеза в ферментаторах обычно поддерживается небольшое избыточное давление порядка 0,03…0,05 МПа с целью предотвращения заражения посторонней микрофлорой; при стерилизации давление в ферментаторе 0,1…0,2 МПа. Эти параметры измеряют в основном мембранными датчиками, датчиками с трубчатой пружиной и сильфонными.

При измерении давления агрессивных, кристаллизующихся сред, сред с высоким содержанием сухого вещества, а также в стерильных условиях манометры и вакуумметры присоединяют к отборным устройствам через разделители мембран типа РМ.

Для измерения давления в ферментаторах промышленного масштаба наиболее целесообразно использовать самопишущие сильфонные манометры типа МС с пневматическим регулирующим устройством. При этом импульс давления передается через разделительную мембрану. Пневматический сигнал от регулирующего устройства прибора поступает на клапан, установленный на линии выхода воздуха из ферментатора.

Наличие автоматического регулирования облегчает выход на заданный режим при изменениях скорости подачи воздуха в ходе процесса, а также при колебаниях давления в магистрали сжатого воздуха.

Расход. Величину расхода измеряют датчиками различного принципа действия: переменного перепада, электромагнитными (индукционными), постоянного перепада, гидродинамического напора и
другими.

Одним из наиболее распространенных и изученных является способ измерения расхода жидкостей, газов и пара в трубопроводах по перепаду давлений в сужающем устройстве. Сужающее устройство, выполняющее функции первичного преобразователя, устанавливается в трубопроводе и создает в нем местное сужение. В качестве таких устройств применяют в большинстве случаев стандартные диафрагмы. В комплект расходомера переменного перепада, кроме сужающего устройства, входят соединительные трубки со вспомогательными устройствами и дифманометр.

Для контроля за материальными потоками в процессе приготовления питательных сред, выпаривания и т.д. применяют расходомеры постоянного перепада – ротаметры. Основное преимущество ротаметров – простота конструкции, отсутствие трущихся деталей, возможность измерения малых расходов и расхода агрессивных сред, надежность работы, значительный диапазон, малые потери напора в трубопроводах, высокая чувствительность к изменению расхода, постоянство относительной погрешности по всей шкале.

К достоинствам датчиков гидродинамического напора следует отнести простоту конструкции, удобство в эксплуатации, высокую надежность, возможность измерения расхода загрязненных сред и использования в стерильных условиях.

В последнее время все более широкое распространение получают процессы ферментации, в которых по ходу процесса осуществляется подпитка различными компонентами среды предшественниками и т. д. В этих случаях часто используется разовое дозирование (1–2 раза в сутки) довольно больших порций компонентов. В этом случае подача компонентов обычно осуществляется из мерников или путем дозирования порций по массе с помощью тензометрических датчиков

Наиболее сложного оснащения требуют процессы, в которых подача компонентов должна осуществляться непрерывно или почти непрерывно. Видимо, лучшим решением в этом случае является использование специальных дозирующих насосов.

Уровень. Для измерения уровня применяют поплавковые, буйковые, емкостные, кондуктометрические и гидростатические уровнемеры.

Для дистанционного измерения жидкости, находящейся под атмосферным, пониженным или избыточным давлением, в различных аппаратах применяют буйковые уровнемеры с унифицированным выходным сигналом типа УБ-9 или пневматическим сигналом типа
УБ-11. Электрические датчики на предприятиях микробиологической промышленности сигнализируют о предельных значениях уровня жидкостей или пены.

Для сигнализации и регулирования уровня электропроводных сред применяют регулятор-сигнализатор уровня ЭРСУ-2, основанный на измерении сопротивления между двумя электродами или электродом и стенкой емкости при их соприкосновении с поверхностью электропроводной среды. Контролируемыми средами могут быть сыпучие вещества или жидкости, не дающие осадка или пленки на электроде, невязкие и некристаллизующиеся. Емкостные сигнализаторы уровня типа ЭСУ используют для сигнализации одного или двух заданных значений уровня жидких, сыпучих, гранулированных и порошкообразных сред.

В сборниках питательных растворов, ферментаторах и других аппаратах широко применяют гидростатические принципы измерения по разности давлений в нижней и верхней частях аппарата и пьезометрический способ.

Датчики индикации уровня пены основаны на использовании электропроводности культуральной жидкости. Их изготовляют из нержавеющей стали с обязательной изоляцией от корпуса аппарата. На стержень электрода надевают силиконовую трубку, выдерживающую стерилизацию острым паром до 150 °С. Конец стержня (10 – 15 см) не изолируют (рисунок 31).

Для промышленности рекомендованы трехконтурные схемы автоматического пеногашения, работающие от трех датчиков уровня пены, расположенных на разной высоте, каждый из которых связан с одним управляющим воздействием (рисунок 32). Первым воздействием является подача пеногасителя, порядок двух других может быть разным. В качестве измерительных элементов системы используют электродные датчики, расположенные на трех разных уровнях.

Величина рН. Для автоматического измерения рН используют электродную систему, в которую входят измерительный (индикаторный) электрод и электрод сравнения (вспомогательный). При измерении рН сред при температуре до 100 °С наиболее часто в качестве измерительных применяют стеклянные электроды ЭПС-00-14, а вспомогательных – хлорсеребряные ЭСХВ-1. Для преобразования в унифицированный сигнал постоянного тока ЭДС чувствительных элементов пригоден измерительный преобразователь типа П-201. В приборе П-201 использованы транзисторы и интегральные схемы. В стерильных условиях (при температуре до 120 °С) применяют измерительный электрод ЭСП-41-11 или электроды типа «Ингольд» с допустимой температурой 130 °С (рисунок 33). Электрод типа «Ингольд» является комбинированным, в нем совмещены стеклянный и сравнительный электроды.

Электрод может работать под давлением с возможностью контроля за расходованием раствора хлорида калия. Раствор сообщается с рабочим объемом ферментатора через микропористую мембрану, что обеспечивает весьма малый расход раствора соли (1 мл в сутки).

Аэрация. В промышленных процессах культивирования микробных микроорганизмов наиболее часто контролируют и регулируют расход воздуха. Этот параметр непосредственно не характеризует ход процесса ферментации, а дает лишь косвенное представление о нем. Параметр, который в какой-то мере характеризует условия проведения процесса и связан с аэрацией, – это концентрация растворенного кислорода в среде. Нет приборов, позволяющих измерять непосредственно в среде этот показатель, однако широкое распространение получили приборы для измерения парциального давления растворенного кислорода - параметра, связанного с концентрацией законом Генри:

,                                      (3.1)

где  – константа Генри, связанная с солевым составом среды и температурой, Па;

 – парциальное давление растворенного кислорода, Па.

Величина парциального давления равна давлению кислорода в газовой фазе, при котором в данных условиях между растворенным в жидкости кислородом и газовой фазой не будет взаимного перехода кислорода, т. е. установится равновесие.

На рисунке 35 показана конструкция стерилизуемого датчика растворенного кислорода. Корпус датчика изготовлен из стеклянной трубки. На торце имеется фторопластовый вкладыш со сквозными отверстиями. На вкладыше установлен индикаторный электрод в виде плоской спирали из платиновой проволоки. Один конец спирали выведен через центральное отверстие вкладыша, и к нему припаян провод в термостойкой эмалевой изоляции. Спай изолирован эпоксидной смолой. Вспомогательный электрод изготовлен из свинцовой пластины.
В верхний конец корпуса вставлен резиновый штуцер с тремя горизонтальными и двумя вертикальными пазами по внешнему диаметру. По одному из вертикальных пазов проведен провод от индикаторного электрода, а в другой уложено место спая свинцового электрода с токоотводящим проводом. Место ввода штуцера в корпус и пазы герметизированы эпоксидной смолой для увеличения прочности контакта и предохранения вывода датчика от разрушения при стерилизации. Газопроницаемая мембрана запрессована на корпусе с помощью эпоксидной смолы и жестко закреплена вместе с индикаторным электродом на вкладыше, что исключает колебания толщины слоя электролита между электродом и мембраной при колебаниях давления в аппарате.

Сигнал от датчика может быть измерен любым прибором, предназначенным для измерения слабых токов (например, Н-373 или
потенциометром). Рекомендуется применять компенсационные схемы измерения, в которых падение напряжения на сопротивлении нагрузки компенсируется напряжением от внешнего источника. Внутренняя полость датчика 3 сообщается гибким шлангом 2 с бачком 1, в котором под атмосферным давлением находится тот же электролит, что и в датчике (рисунок 36). При тепловой стерилизации электролит в датчике кипит, но его пары конденсируются в шланге и стекают обратно. После стерилизации такой конструкции резкий сброс давления в аппарате не опасен, так как со стороны электролита давление на пленку практически отсутствует.

В результате дыхания культуры, выращиваемой в ферментаторе, потребляется кислород и выделяется диоксид углерода, концентрация которого в жидкости может изменяться при изменении условий аэрации. Установлено, что рСО₂ влияет на процесс ферментации в значительно более широком интервале значений, чем рО₂. В практике возможны случаи, когда требуется поддержание оптимального значения рСО₂. Для контроля за этим параметром может быть использован датчик проточного типа, разработанный в МИХМе (рисунок 37).

Особенность метода состоит в применении специального газообменного устройства мембранного типа. Устройство выполнено в виде цилиндра. Боковая поверхность цилиндра представляет собой многоходовой спиральный канал, по которому протекает электролит.
С внешней стороны канал обтянут газопроницаемой пленкой (поликарбонатной), выдерживающей температуру стерилизации и крепится к корпусу с помощью специального герметизирующего уплотнения.

Индикаторный раствор бикарбоната натрия из емкости 1 транспортируется с постоянной скоростью при помощи дозирующего устройства 2 в газообменное устройство 4, помещаемое в ферментатор. Протекая по каналу, раствор насыщается диоксидом углерода за счет диффузии последнего через газопроницаемую мембрану. Определение величины рН раствора осуществляется измерительной ячейкой 5, в которую раствор поступает по транспортному каналу 3. Вторичный прибор для определения величины рН проградуирован непосредственно в единицах рСО₂. Газообменное устройство стерилизуется вместе с ферментатором, а датчик величины рН вынесен из ферментатора, что облегчает условия его работы. Время установления показаний не зависит от знака возмущения и не превышает 10 мин.

Известно, что одних и тех же значений концентраций растворенного кислорода и СО₂ можно достичь при различных соотношениях скорости вращения мешалки и расхода воздуха. В связи с этим должна быть предусмотрена возможность плавного изменения скорости вращения мешалки в ходе ферментации. Для контроля величины частоты вращения мешалки используют тахогенераторы, монтируемые на валу мешалки или связанные с ним ременной передачей.

Для промышленных ферментаторов можно использовать серийно выпускаемые тиристорные преобразователи частот, универсальную систему фазового управления. Существуют возможности замены используемых асинхронных двигателей на двигатели постоянного тока, трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором или гидроприводы, применение которых особенно перспективно.

Кроме систем управления перемешиванием с разомкнутым контуром применяют также замкнутые контуры управления, в которых частота вращения мешалки автоматически поддерживается на уровне, обеспечивающем заданное значение концентрации растворенного кислорода или диоксида углерода.

Концентрация биомассы. Это один из наиболее важных параметров процесса культивирования, который не всегда контролируется и не используется для управления процессом ферментации. Основная причина – отсутствие простых и надежных средств контроля.

Например, для определения концентрации биомассы дрожжей используют свойство цитохрома поглощать свет в области длины волны 415 нм.

Между площадью поглощения цитохрома в области длин волн 400…440 нм и концентрацией биомассы в диапазоне 10…100 мг/л имеется линейная зависимость. Автоматический прибор на базе этого метода обеспечивает измерение концентрации биомассы с погрешностью не более 5%. На рисунке 38 представлена схема оптического датчика – двухлучевого, двухволнового, четырехканального спектрофотометра. Существенным преимуществом прибора является возможность регистрировать как светорассеяние, так и оптическую плотность суспензии микроорганизмов.

Концентрацию микроорганизмов можно определять также трехэлектродным пассивным емкостным датчиком с двумя рабочими зазорами, один из которых герметически изолирован от внешней среды полупроницаемой мембраной (целлофан, владипор и др.). В открытый зазор датчика поступает суспензия микроорганизмов (рисунок 39), а в закрытый, через мембрану, - только жидкая фаза среды. Зная емкость датчика, образованную первым (C₁) и вторым (С₂) зазорами, можно вычислить концентрацию микроорганизмов М по формуле:

,                                  (3.2)

где  - постоянная, зависящая от размеров датчика;

 - диэлектрический инкремент клеток микроорганизмов.

Датчик прост по конструкции, надежен, легко стерилизуется и позволяет контролировать рост микроорганизмов непосредственно в ферментаторе.

В другом виде емкостного датчика, обеспечивающего контроль концентрации микроорганизмов, использован принцип электроудержания микроорганизмов. На рисунке 40 приведена конструкция этого датчика. Исследуемая суспензия микроорганизмов вводится через отверстие в корпусе с крышкой в датчик, частично проходит через сужающийся в центре канал 4, а частично фильтруется через пористую часть изолятора 3 в узле 6, где микроорганизмы удерживаются
электрическим полем. Жидкая фаза суспензии поступает в рабочую полость, где расположены электроды 1, так измеряется ее диэлектрическая постоянная. Затем через отверстия 2 жидкая фаза поступает в верхнюю часть канала, где смешивается с суспензией и выходит из ячейки через отверстие. Устройство 5 позволяет регулировать величину сечения канала. Расчет концентрации микроорганизмов осуществляется, как и в датчике с мембраной. Чувствительность датчиков несколько различается. Датчик с полупроницаемой мембраной позволяет регистрировать минимальные концентрации 20 г/л, датчик с
электроудержанием – 10 г/л. Датчики стерилизуются и могут быть использованы для динамических измерений.

Непрерывное автоматическое измерение концентраций отдельных веществ в этой смеси сопряжено со значительными метрологическими и техническими трудностями. Перспективными считают ферментные электроды. Разработаны ферментные электроды различных типов, однако лишь немногие из них нашли широкое применение и еще меньшее их число выпускается промышленностью. Это связано с тем, что большинство электродов пока обладает серьезными недостатками: они дороги, довольно неудобны в работе и имеют малый срок службы. Перечень некоторых из них приведен в таблице 3.2.

Принцип использования датчика основан на чувствительности к какому-либо компоненту или продукту ферментативной реакции, однако он имеет один существенный недостаток, связанный с низкой избирательностью датчиков.

Многие параметры технологического процесса производства продуктов микробного синтеза в настоящее время не могут регистрироваться в потоке, и их определяют путем анализа проб полупродуктов и готовой продукции в лабораториях завода. Несмотря на это предпринимаются попытки внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Наиболее сложно решаемой задачей является создание АСУТП для ферментации в строго асептических условиях.

В настоящее время накоплен опыт автоматизации основных стадий технологического процесса производства кормового витамина В₁₂. При разработке АСУТП в основу положен опыт автоматизации процессов производства кормового витамина B₁₂ на Грозненском ацетоновом и Ефремовском биохимическом заводах

После операций сбора и первичной переработки информации (блок 2) выполняются операции контроля и восстановления достоверности входных параметров (блок 3). Задания по производству витамина и ограничения вводятся с дисплейных модулей и хранятся в памяти ЭВМ (блоки 2, 3). Для работающих выпарных установок (ВУ) определяется текущее состояние греющих поверхностей выпарных аппаратов путем решения задачи оперативной идентификации коэффициентов теплопередачи. На основании решения задачи по определению оптимальных управляющих воздействий, обеспечивающих заданную концентрацию витамина В₁₂, определяют графики изменения нагрузок на ферментационное и выпарное отделения, а также оптимальные моменты остановки на очистку и включения в работу ВУ (блоки 5, 6). Далее определяется координация материальных потоков между ферментационным и выпарным отделениями, после чего рассчитывают графики изменения производительности выпарного отделения по расходу упариваемой бражки и по нагрузке на сушильное отделение (блок 7).

По полученным заданиям по входу и выходу выпарного отделения рассчитывается рациональный режим ВУ (блок 8), и в случае, когда выполнение требований невозможно (блок 9), вносятся коррективы в ограничения производительности выпарных установок (блок 10). При этом решение задач по определению оптимальных управляющих воздействий, обеспечивающих необходимую концентрацию витамина В₁₂ и значение материального потока между ферментационным и выпарным отделениями, проводится заново. После определения оптимального режима системы стабилизации технологических параметров обеспечивают заданные режимы (блок 11). Рекомендации по остановке и включению ВУ выводятся оперативному персоналу в качестве совета. Блоки 4 – 11 содержат дополнительно логические элементы, определяющие необходимость решения конкретного блока в данном такте управления.

Реализация данного алгоритма возможна в вычислительной системе, включающей несколько независимо работающих процессоров. Наиболее целесообразным признано использовать децентрализованную структуру АСУТП производства витамина B₁₂ (рисунок 42).

В данной структуре на нижнем уровне решают задачу автоматического контроля, стабилизации и регулирования технологических процессов, реализуемых на базе микропроцессорных комплексов (МПК). На МПК возложены также функции сбора, первичной переработки, формирования и выдачи управляющих воздействий. Ввод информации от датчиков обеспечивается приборами электрической ветви ГСП (ГСПЭ). В связи со взрывоопасными условиями отделения ферментации применяют датчики пневматической ветви ГСП (ГСПП) с пневмоэлектрическими преобразователями сигналов (ПЭ). Управляющие выходы МПК через электропневмопреобразователи (ЭП) поступают на пневматические исполнительные механизмы (ИМ).

В производстве витамина В₁₂ целесообразно применять один МПК для управления стадиями приготовления питательной среды и ферментации, два МПК – для регулирования процесса выпаривания и один МПК – для автоматизации процесса сушки. На постах управления устанавливаются дисплейные модули (ДМ), связанные через магистрали обмена информацией с мини-ЭВМ. На верхнем уровне проводится расчет рациональных режимов технологических процессов на базе центральной мини-ЭВМ, имеющей связь как с локальными МПК, так и с вышестоящими системами управления.

Информация о состоянии технологических процессов периодически, после первичной переработки, пересылается в мини-ЭВМ, где используется для расчета рациональных режимов. Результаты решения задач оптимального управления передаются от мини-ЭВМ к МПК в виде заданий регуляторам соответствующих систем автоматического регулирования. С помощью дисплеев возможны получение информации о ходе процесса, ввод дополнительных заданий и т. д.