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楊梁 徐保國 胡麗萍 熊偉麗
隨著生物基因技術(shù)的發(fā)展，生物基因工程在國民經(jīng)濟和生活中越來越重要?；蛑扑幾鳛橐环N高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也得到了蓬勃的發(fā)展?；蛑扑庍^程中通常涉及到發(fā)酵、酸水解、酶水解和分離與純化等一系列工藝過程。整個生產(chǎn)過程中涉及到產(chǎn)品制備與檢測、質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢定三個互相耦合的復雜操作工藝環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)基因?qū)⑦@三個工藝操作分解成多個單獨的操作過程，能滿足單個控制的精度要求，不能實現(xiàn)綜合質(zhì)控要求。
本文針對基因功能亞功能片段的制備過程中涉及到的工藝環(huán)節(jié)，將制備過程中用的各種型號的高效液相色譜儀、酶標定儀、毛細管電泳儀等分析檢測儀器的接口通過串行通訊與計算機相聯(lián)，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程中各工藝參數(shù)的監(jiān)控，在保證各單點精度要求的基礎上，通過計算機進行分析處理，為肽的分析檢測提供新的有效手段并提高綜合質(zhì)控分析精度要求。同時將每次生產(chǎn)過程中各工業(yè)環(huán)節(jié)的條件參數(shù)、測試分析結(jié)果等數(shù)據(jù)存儲起來，為后續(xù)開發(fā)中的專家系統(tǒng)提供強有力的數(shù)據(jù)支持，進一步提高綜合質(zhì)控要求。
1 純凈基因亞功能片段的制備過程的工藝研究
功能基因亞功能片段是一種生物活性肽或多肽，通過L―天冬酰胺酶II基因工程菌生產(chǎn)甲狀旁腺素N端34肽。功能基因亞功能片段的生產(chǎn)工藝涉及到多個工藝環(huán)節(jié)；上游工藝環(huán)節(jié)為了滿足下游工藝環(huán)節(jié)的要求必須對當前的生產(chǎn)狀態(tài)工藝流程，各個工藝過程和其中涉及到的分析、檢測、制備儀器如圖1所示。
圖1 純凈亞功能基因片段制備技術(shù)平臺
通過分析整個工藝過程發(fā)現(xiàn)，如果將各分析、檢測、制備儀器采集上來的數(shù)據(jù)進行分析、處理，進一步優(yōu)化發(fā)酵、水解、高效液相色譜制備過程中的參數(shù)，可以提高整個生產(chǎn)過程中的產(chǎn)量和質(zhì)量。
2 整個監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡圖
整個監(jiān)控系統(tǒng)控制部分的具體設計中，考慮到遠端監(jiān)控的需要及現(xiàn)場實時控制的需要，采用工控機和觸摸屏實現(xiàn)上述控制要求。現(xiàn)場主機采用西門子S7-200系列的CPU222PLC，為實現(xiàn)PLC與觸摸屏和上位機的通訊，擴展一塊EM277，PLC與工控機和觸摸屏分別通過RS485和RS232 進行通訊。
通常情況下，高壓液相色譜儀等儀器通過串口RS232與工作站相連完成對各化學成分的檢測、分離，為了滿足配合實際生產(chǎn)過程中的要求，將各個分析儀器的串口線通過多串口卡與工控機相連，采用VC多線程編程實現(xiàn)對各個儀器的數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲等功能，利用SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)與管理級計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，使管理級計算機通過分析各儀器設備的參數(shù)，更好的監(jiān)控整個系統(tǒng)的生產(chǎn)和質(zhì)量控制。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖
3 軟件系統(tǒng)的設計
整個監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包括發(fā)酵、水解PLC控制程序設計和計算機監(jiān)控程序的開發(fā)。PLC實現(xiàn)各控制參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和常規(guī)控制任務，管理級計算機和PLC通過PPI網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，在基于Windows下的V3.2 STEP7軟件上進行PLC程序的設計和調(diào)試。
管理級計算機軟件和儀器數(shù)據(jù)共享計算機軟件開發(fā)基于WIN2000環(huán)境，以Visual C++6.0作為開發(fā)平臺，在管理級計算機軟件中實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示、流程顯示、實時報警、歷史趨勢、數(shù)據(jù)存儲與查詢、報表打印、參數(shù)分析等功能。儀器數(shù)據(jù)共享計算機將串口傳上來的數(shù)據(jù)進行處理，提取其中有價值的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲，利用聯(lián)機數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)與管理級計算機的數(shù)據(jù)共享。
3.1 發(fā)酵過程中的控制算法
由于發(fā)酵過程的數(shù)學模型難以建立，無法根據(jù)其數(shù)學模型設計相應的控制器，通常情況下只能通過控制發(fā)酵過程中的外部環(huán)境變量來實現(xiàn)對整個發(fā)酵過程的優(yōu)化控制。
(1) 溫度、攪拌速度控制
發(fā)酵、水解液中的溫度通過調(diào)節(jié)冷卻水流量控制，考慮到發(fā)酵過程不同階段產(chǎn)生熱量的速度不同，過程模型參數(shù)變化較大，冷卻水流量與溫度關(guān)系無法精確測定，因此借鑒了自適應控制思想，采用分段設定PID控制，具體做法是先根據(jù)發(fā)酵的不同階段，采用分段設定PID參數(shù)，再將各段參數(shù)固化于控制站內(nèi)。但是發(fā)酵過程有時溫差較大，易產(chǎn)生超調(diào)和積分飽和。故而，采用積分分離PID控制算法。
設
上式中，A為定值，取設定值的10%；偏差e(k)=r(k)-y(k)，
將f(ek)代入PID算式即得:
式中：Ｔ為采樣周期；Ti、TD為分別是積分、微分時間常數(shù)；KP為比例系數(shù)。根據(jù)偏差e(k)與定值A比較結(jié)果，確定是采用PID還是PD算法。
由于攪拌速度大時有利于產(chǎn)量的提高，但是過大將會產(chǎn)生泡沫，出現(xiàn)溢菌現(xiàn)象，在實際設計過程中，根據(jù)罐體大小將其穩(wěn)定一范圍內(nèi)，并通過PID調(diào)節(jié)完成對其的控制。
(2) pH值控制
由于發(fā)酵、酸水解過程中pH值呈現(xiàn)的時變性、嚴重的非線形、中試測試結(jié)果不可重復等特點，利用建模手段實現(xiàn)常規(guī)控制幾乎不可能，采用智能模糊控制是可以成功的。如圖3所示，可選用pH值與給定值之差pH值誤差e＊和誤差變化△e＊做為模糊控制系統(tǒng)的輸入，查詢模糊論域量化表得到誤差和誤差變化的論域，查詢模糊規(guī)則表得到模糊輸出量U，通過反模糊化后得到u再通過量化因子ku計算出控制輸出u＊；根據(jù)u＊決定補糖來降低pH值，還是補玉米漿混合物（主要成分為玉米漿）來升高pH值。
圖3 模糊控制系統(tǒng)原理圖
模糊控制器的設計采用直接查表法，根據(jù)輸入確定的誤差、誤差變化的論域，查詢模糊控制表得到u，經(jīng)過處理得到輸出值。
(3) 基因工程菌發(fā)酵過程中分批補料控制
由于發(fā)酵過程中基質(zhì)濃度等參數(shù)目前尚無在線檢測手段,因此還難以實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)補料的閉環(huán)控制。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵過程中細胞的生長與酶的活力基本平行。利用酶的活力與營養(yǎng)物質(zhì)需求量的對應關(guān)系，設定開環(huán)程序控制。利用電磁按照開環(huán)程序的設定進行分批補料。
3.2 分析儀器的數(shù)據(jù)采集與顯示
通常高壓液相色譜儀等分析儀器的信號處理采用的是16或者是24位的數(shù)據(jù)采集卡，采用FIFO的機制，并通過限頻濾波等方式處理信號；然后將處理好的信號通過串行通訊交由工作站主機處理顯示。在實際處理過程中，只是將各個儀器的主要參數(shù)提取出來顯示、存儲。這樣既滿足工藝的要求，又簡化了整個部分程序設計。
根據(jù)上述思路，將這部分的軟件設計分為如下四個部分：串口通訊部分、數(shù)據(jù)處理部分、結(jié)果顯示部分、數(shù)據(jù)存儲管理部分。
(1) 串口通訊的軟件設計
本模塊完成的工作包括：設定串行口、設定采樣頻率、數(shù)據(jù)解碼。由于本系統(tǒng)中涉及到多個串口，利用MSComm控件，每個MSComm控件對應一個串行口，采用事件驅(qū)動方式接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。同時MSComm控件中可以完成端口、數(shù)據(jù)傳輸速率的設定等功能。
(2) 數(shù)據(jù)處理部分
數(shù)據(jù)處理部分包括信號濾波、峰的檢測、峰面積計算。
? 信號濾波 采用模式濾波，根據(jù)噪聲與色譜信號之間的形態(tài)差異區(qū)分噪聲，將比較理想的數(shù)據(jù)提取出來。
? 峰的檢測 為了滿足實際的需要，同時簡化整個設計的工作量，只計算出半峰寬、保留時間、峰面積等參數(shù)，而不采用常用的色譜工作站的設計方法。峰的檢測采用的算法是利用斜率的變化、根據(jù)色譜曲線的變化趨勢，推算峰的位置。
? 峰面積計算 在預測峰的位置后，通過積分運算完成對峰面積的計算?？紤]到在色譜儀的實際分離過程中可能產(chǎn)生色譜峰疊加，在使用中切法計算峰面積時，必然要減除疊加部分的數(shù)據(jù)。先通過公式計算出積分數(shù)值，再將得到的數(shù)值進行積分運算，最后得到峰面積。
(3) 結(jié)果顯示部分
結(jié)果表達方式常用的有兩種：直接顯示色譜圖的形狀；標注色譜峰高、保留時間、峰面積等參數(shù)，用精確的數(shù)據(jù)表達色譜處理結(jié)果。采用后一種方式，將各個參數(shù)直觀的顯示在界面上；同時設置打印功能，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的打印。
(4) 數(shù)據(jù)存儲
為了給后續(xù)開發(fā)中的專家系統(tǒng)提供強有力的數(shù)據(jù)支持，將上述過程中處理的數(shù)據(jù)存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫中。通過聯(lián)機操作實現(xiàn)與管理級計算機的數(shù)據(jù)共享。
4 結(jié)束語
針對基因亞功能片斷生產(chǎn)過程中的特殊工藝要求，利用PLC、工控機開發(fā)出相對應的控制系統(tǒng)，其中pH值模糊控制在PLC中的實現(xiàn)大大提高系統(tǒng)的智能化程度，滿足了系統(tǒng)的pH控制精度要求。同時針對生產(chǎn)過程中涉及到的分析儀器，利用串行通訊技術(shù)將各個參數(shù)采集、處理，提高綜合質(zhì)控分析精度要求。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號