试验型生物反应器2种DO搅拌关联方式的比较

细履平沙

摘要：
很多问题简单，一种原因是自己没深控，另一种原因是被问题的表象掩盖，比如说温度的重要性就被一条平稳的温度控制曲线所掩盖。本文讨论试验罐两种溶解氧控制方式，如果你所用的发酵罐无论是采取哪一种，如果你就将溶解氧的控制交给控制系统，那么你一定会错失很多有价值的线索。希望本文能够在向大家介绍两种方式的特点同时，更能重新引导大家思考溶解氧控制背后的机理以及如何挖掘参数背后价值的方法。

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01
微生物加工厂

// 讨论范围

讨论话题为什么要限定在试验用生物反应器呢？这是因为生产上所用的大型发酵罐中，很大一部分没有变频器，搅拌转速不可调节，调节溶解氧主要依靠罐压和补料调节，为什么空气流量在调节溶解氧上较少发挥作用？这是因为多个罐共用空气系统，而空气成本高，供应量受限，所以提升一个罐的流量时，另外罐的流量就会下降，如果罐压已不能再调，而溶氧又低于临界值，就会通过限制微生物的生长来降低OUR，在有限定条件的时候，发酵调控也是一种权衡。这里不得不提，当鱼和熊掌不可兼得时，很多企业将眼光转向了搅拌桨的设计，结合流场分析，对搅拌桨进行重新设计，进而获得在相同功率、相同供气条件下，更高的KLa。一方面可以节能，另一方面不用通过减少补料限定生物的生长，从而获得更高的产量。所以溶解氧与搅拌进行关联控制是试验型生物反应器和部分生产罐的应用场景，并非所有罐.

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// 试验型生物反应器的特点

试验罐的搅拌转速不仅能调节，而且可调节的范围很大，比如50~1200RPM，甚至更高，当DO不满足时 ，如何实现自动控制，各个设备制备商的控制系统中或多或少的集成了自动控制策略。如何理解和验证这些自动方案是否符合我们要求呢？
它实际上也是计算机化系统验证的一个环节了，最直接有效的办法是回到手动，并比较之间的优劣。每个人的经验不同，我相信以下手动操作流程非常有代表性。
具体的策略是：根据当前溶解氧与设定值之间的差距，结合最高可控转速，通过小步快跑的办法对搅拌转速进行调节。比如最高搅拌为500，那么每次上调可能是30~50转之间，如果最高转速是1000，可能每次上调50到100转，调节频次根据当前溶解值与设定值之间的差距进行控制，如果当时差别大，就增加调节的频次，如果差距小，就减少频次，简单理解就是定步长，改频次。
调节搅拌的过程，还要根据生物量的变化进行调控。一般，搅拌转速达到某个水平后，DO升高，不会轻易降低搅拌转速，而是要取样检测，并结合在线参数，判断菌体活性是否降低，如果菌体活性低，则下调搅拌转速，如果活性不低，则通过改变补料速率来解决DO临时偏高的现象，而且DO的反弹也是“微生物饥饿的表现”，是该补料的信号！

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02
2个典型DO控制策略

// 理解溶解氧控制逻辑的困难

溶解氧的控制对软件开发是一个挑战，因为影响DO的因素多，而且我们不是为了控制DO，而要通过DO变化，来判断菌体的活性，如果一刀切的以DO为控制目的，失去了调控目的，其中的逻辑关系对软件工程师而言确实不是一件容易的事情。

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// PID控制策略

目前有多种DO控制和算法；其中PID算法最为典型，其实现思路：设定比例，积分和微分系数，然后将DO作为响应值，按照比例系数乘以控制偏差，积分系数乘以一段时间与控制值之间累积偏差，微分系数乘以当前温度与前一次温度变化的差值，然后将3个数据的和乘以系数作为搅拌转速的输出,从而实现了自动控制。
温度的PID控制的逻辑，软件工程师很好理解，因为它的目的很单一，就是通过调控冷媒和热媒来控制温度达到设定，因为温度属于单纯变量。而溶解氧属于耦合变量，对其控制溶解的同时又要关注与其耦合的其他变量的变化，所以控制溶解氧不是以溶解氧精确达到设定值为目的，它只是提高产量的一种途径，其背后是菌体活性的反应，是控制生长的一种参考而已。如果是为了控制溶解氧而控制溶氧，则问题虽然简单，但是后果却很严重，为了控制DO达到要求，会将搅拌迅速升到最大，会为了溶解氧停止补料，这些情况，是内行不可容忍的。
通过调节PID的参数来控制溶解氧可产生不同的效果，基于上述分析，所以溶解氧不需要精确控制，而实际上PID3个参数中，也只用到了比例调节系数，这时搅拌的反馈控制只与DO偏差成正比，比如DO差了9%，比例系数是10，则此时改变搅拌转速90转。

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// 控制DO需要减少系统震荡

比例调节替代了人工干预，而且与人工的方案大致类似，由于比例系数固定，而溶解氧显示与控制的差距在改变，所以每次上调的转速不同，因此在这种控制策略下，搅拌转速是高高低低的锯齿形状，DO也会随搅拌而快速波动。这是一种震荡的表现形式，为了减少PID控制引起的震荡，特别是调节频次偏高时，会导致系统反复震荡，发酵显然不利的。简单的说PID的控制是定频次，变步长方式。

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// 定步长，变频次，只增不降模式

如果将温度调控比作科学，那么溶解调控就是艺术，对于艺术我相信手工调控优于自动化，所以本人更倾向于实现定步长，变频次，只增不降的自控策略：实现的方式是程序判断溶解氧低于设定值时，每次上调的固定的转速，然后等到下一个周期，再判断，再上调，所以这种方式下搅拌转速呈方波形态。这种调节简单，相对于比例调节，溶氧曲线变化较平稳，不会高高低低的变化。只增不降是指程序发现溶解氧高于设定时，不进行动作，如果需要改变，由工艺人员手动完成。虽然自动程序上比PID较差，但是这有利于发酵的稳定。
只增不降模式，可以使工艺人员很容易通过溶解氧的反弹还获得启动补料的信号，如果这时程序通过搅拌使溶解氧降低，可能会失去观察这个信号的机会。

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// 两种策略的比较

两种控制方式都不完美，我们还要通过一引起参数弥补自控策略带来的失控风险，比如设定死区，设定搅拌转速的最大值和最小值，设定调控频次。
自动控制是大趋势，我们或许已经习惯于不去思考，希望本文能够，还原溶解氧控制的初衷