集散控制系统在生物制药发酵工艺中的应用

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【摘要】融计算机技术、网络通讯技术和控制技术一体的集散控制系统DCS已广泛地用于工业控制领域。本文主要介绍集散控制系统在现代生物制药发酵工艺过程控制中的成功应用，该系统实现了实时数据采集、温度控制、pH控制以及补料控制等功能。

【关键词】DCS 生物制药 发酵过程 过程控制

一、引言

杭州中美华东制药有限公司生产的药品涉及移植免疫、肾病、糖尿病等领域，科技含量高，生产规模较大，生产方式以微生物发酵为主，发酵设备采用浙大中控的JX-300X型DCS系统来控制，该系统满足现代生物制药发酵工艺对设备控制的要求并且运行十分稳定可靠。

二、发酵过程控制DCS系统构成

1.发酵过程控制要求

某一产品的发酵工艺包括以下几个阶段： 菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程、分离提纯、废物的回收和利用，在发酵过程阶段要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件，同时要及时添加必需的培养基组分，以满足菌种的营养需要。该产品发酵工段共有大罐12个，每个发酵罐的控制有温度控制、自动补料控制、pH控制、搅拌转速控制和消沫控制，发酵过程补加碳源、氮源物质，如葡萄糖、磷酸盐(视产品而定)，pH值通过流加或间歇式加氨水进行调节；中罐8个，每个中罐设有温度控制；小罐8个，每个小罐设有温度控制，另外部分罐的罐压、空气流量以及溶氧和尾气中的CO2浓度以及配套公用系统(如空气、热水、冷水等)的参数需要监测并以趋势曲线形式记录。

2.系统配置

该工段发酵设备采用浙大中控的JX-300X型DCS系统，配置一个现场控制站(4个机笼，包括主控卡、数据转发卡、若干SP313卡、SP364卡和SP322卡)、两个操作员站和一个工程师站，系统结构图如下：

ScnetⅡ网络又叫过程控制网，采用了双绞线高速冗余工业以太网， SCnetⅡ是在10base Ethernet基础上开发的网络系统，各节点的通讯接口均采用了专用的以太网控制器，数据传输遵循TCP/IP和UDP/IP协议，连接操作站、工程师站与控制站等，传输各种实时信息。SBUS 总线是控制站内部I/O 控制总线，主控制卡、数据转发卡、I/O 卡通过SBUS进行信息交换。

三、系统功能

该DCS系统主要实现了以下几方面功能：

1.对发酵工艺的实时监控与动态模拟：主要以流程图的方式对实时数据和状态参数进行动态模拟显示，实现对整个工控现场的实时监控。2.历史趋势查询：实时发酵过程的测量数数据和状态参数以设定间隔和保存点数保存，能够以历史趋势曲线的方式查询，还可以进行历史趋势曲线的离线浏览。

3.报警信息显示、记录：根据组态信息和发酵工艺运行情况动态显示产生的报警信息并发出报警提示音。

4.系统冗余及故障自诊断：系统从关键I/O模块到上位机均采用热冗余技术，同时还会对控制站以及通讯网络的故障情况进行自动诊断，便于准确排除故障，维护方便，保证了控制的连续性。

5.系统登录管理和操作记录：操作权限分观察、操作员、工程师和特权四级，不同等级规定不同操作权限，对系统的操作自动进行记录，便于安全管理。

6.系统组态和控制编程：可以根据情况修改组态增减控制点，根据工艺要求利用其图形化控制组态软件(如LD编辑器、FBD编辑器、SFC编辑器、DFB编辑器)或控制站编程语言SCX(类C语言)可方便实现发酵过程的理想控制策略。

四、系统应用情况

下图是利用JX-300X DCS实现的某一监控画面的一部分，操作员操作非常方便：

该系统控制功能强大，实时性强，运行稳定，由于系统冗余设计并具有自诊断功能维护也很方便，完全满足发酵生产的需要，系统的各方面性能也达到了药品生产的GMP要求，同时在优化工艺试验过程中自控方法调整也很容易实现，近年来经过几次控制工艺优化，使得公司几个发酵原料药品种的生产水平都在逐年不断提高。

五、结束语

在现代生物制药尤其原料药的发酵生产中，越来越多的在线参数测量和流加控制工艺以及发酵过程趋势预测甚至纠正不良倾向已经是一种趋势，这必然要求采用控制智能程度高的计算机控制系统，采用浙大中控JX一300X DCS系统对发酵过程进行控制，可充分利用计算机控制的优点，降低生产成本，提高产品质量，更好地开拓国际市场。

(作者单位：浙江中美华东制药有限公司工程中心)