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楊梁 徐保國 胡麗萍 熊偉麗
隨著生物基因技術的發展，生物基因工程在國民經濟和生活中越來越重要。基因制藥作為一種高技術產業，也得到了蓬勃的發展。基因制藥過程中通常涉及到發酵、酸水解、酶水解和分離與純化等一系列工藝過程。整個生產過程中涉及到產品制備與檢測、質量控制、產品檢定三個互相耦合的復雜操作工藝環節。傳統基因將這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，不能實現綜合質控要求。
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節，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，實現對整個生產過程中各工藝參數的監控，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控分析精度要求。同時將每次生產過程中各工業環節的條件參數、測試分析結果等數據存儲起來，為后續開發中的專家系統提供強有力的數據支持，進一步提高綜合質控要求。
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基因工程菌生產甲狀旁腺素N端34肽。功能基因亞功能片段的生產工藝涉及到多個工藝環節；上游工藝環節為了滿足下游工藝環節的要求必須對當前的生產狀態工藝流程，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平臺
通過分析整個工藝過程發現，如果將各分析、檢測、制備儀器采集上來的數據進行分析、處理，進一步優化發酵、水解、高效液相色譜制備過程中的參數，可以提高整個生產過程中的產量和質量。
2 整個監控系統的硬件結構簡圖
整個監控系統控制部分的具體設計中，考慮到遠端監控的需要及現場實時控制的需要，采用工控機和觸摸屏實現上述控制要求。現場主機采用西門子S7-200系列的CPU222PLC，為實現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多線程編程實現對各個儀器的數據采集、顯示、存儲等功能，利用SQL Server數據庫技術與管理級計算機實現數據的共享，使管理級計算機通過分析各儀器設備的參數，更好的監控整個系統的生產和質量控制。整個系統的硬件結構簡圖如圖2所示。
圖2 系統硬件結構簡圖
3 軟件系統的設計
整個監控系統的軟件包括發酵、水解PLC控制程序設計和計算機監控程序的開發。PLC實現各控制參數的數據采集和常規控制任務，管理級計算機和PLC通過PPI網絡實現數據交換，在基于Windows下的V3.2 STEP7軟件上進行PLC程序的設計和調試。
管理級計算機軟件和儀器數據共享計算機軟件開發基于WIN2000環境，以Visual C++6.0作為開發平臺，在管理級計算機軟件中實現實時數據顯示、流程顯示、實時報警、歷史趨勢、數據存儲與查詢、報表打印、參數分析等功能。儀器數據共享計算機將串口傳上來的數據進行處理，提取其中有價值的數據進行顯示、存儲，利用聯機數據庫實現與管理級計算機的數據共享。
3.1 發酵過程中的控制算法
由于發酵過程的數學模型難以建立，無法根據其數學模型設計相應的控制器，通常情況下只能通過控制發酵過程中的外部環境變量來實現對整個發酵過程的優化控制。
(1) 溫度、攪拌速度控制
發酵、水解液中的溫度通過調節冷卻水流量控制，考慮到發酵過程不同階段產生熱量的速度不同，過程模型參數變化較大，冷卻水流量與溫度關系無法精確測定，因此借鑒了自適應控制思想，采用分段設定PID控制，具體做法是先根據發酵的不同階段，采用分段設定PID參數，再將各段參數固化于控制站內。但是發酵過程有時溫差較大，易產生超調和積分飽和。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；KP為比例系數。根據偏差e(k)與定值A比較結果，確定是采用PID還是PD算法。
由于攪拌速度大時有利于產量的提高，但是過大將會產生泡沫，出現溢菌現象，在實際設計過程中，根據罐體大小將其穩定一范圍內，并通過PID調節完成對其的控制。
(2) pH值控制
由于發酵、酸水解過程中pH值呈現的時變性、嚴重的非線形、中試測試結果不可重復等特點，利用建模手段實現常規控制幾乎不可能，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 模糊控制系統原理圖
模糊控制器的設計采用直接查表法，根據輸入確定的誤差、誤差變化的論域，查詢模糊控制表得到u，經過處理得到輸出值。
(3) 基因工程菌發酵過程中分批補料控制
由于發酵過程中基質濃度等參數目前尚無在線檢測手段,因此還難以實現營養物質補料的閉環控制。根據實驗數據，發現發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物質需求量的對應關系，設定開環程序控制。利用電磁按照開環程序的設定進行分批補料。
3.2 分析儀器的數據采集與顯示
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位的數據采集卡，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、數據處理部分、結果顯示部分、數據存儲管理部分。
(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、數據解碼。由于本系統中涉及到多個串口，利用MSComm控件，每個MSComm控件對應一個串行口，采用事件驅動方式接收緩沖區數據。同時MSComm控件中可以完成端口、數據傳輸速率的設定等功能。
(2) 數據處理部分
數據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，根據噪聲與色譜信號之間的形態差異區分噪聲，將比較理想的數據提取出來。
? 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，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。考慮到在色譜儀的實際分離過程中可能產生色譜峰疊加，在使用中切法計算峰面積時，必然要減除疊加部分的數據。先通過公式計算出積分數值，再將得到的數值進行積分運算，最后得到峰面積。
(3) 結果顯示部分
結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，用精確的數據表達色譜處理結果。采用后一種方式，將各個參數直觀的顯示在界面上；同時設置打印功能，實現對數據的打印。
(4) 數據存儲
為了給后續開發中的專家系統提供強有力的數據支持，將上述過程中處理的數據存儲到SQL Server數據庫中。通過聯機操作實現與管理級計算機的數據共享。
4 結束語
針對基因亞功能片斷生產過程中的特殊工藝要求，利用PLC、工控機開發出相對應的控制系統，其中pH值模糊控制在PLC中的實現大大提高系統的智能化程度，滿足了系統的pH控制精度要求。同時針對生產過程中涉及到的分析儀器，利用串行通訊技術將各個參數采集、處理，提高綜合質控分析精度要求。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號