Folyamatirányítás fermentációknál

Folyamatirányítás fermentációknál

Gál Boglárka Bartók Gábor Máté

Folyamatirányítás szerepe



Irányítás, befolyásolás



Mikroorganizmusoknak kedvező körülmények biztosítása



Biztonsági okok

Folyamatirányítás



Vezérlés: nyílt hatásláncú irányítás

 A távadó a lehetséges zavarást méri, és annak az alapjeltől való eltérését (hibajel) vizsgálja.

 A vezérelt jellemzőre történő hatásról nincs a vezérlő egységnek információja



Szabályozás: zárt hatásláncú irányítás

 A távadó a szabályozott jellemzőt méri

 A szabályozott jellemzőről folyamatos információnk van Fermentációnál:

 Folyamatvezérlés: automatizált szekvenciák biztosítják a

fermentáció helyes lefutását (pl. sterilezés egymás utáni lépései)

 Hurokszabályozás: a folyamat változó értékeinek szabályozása

Folyamatvezérlés, fermentáció lépései

Szakaszos fermentációnál:

Üres tartály sterilezése

 Mindegyik ki és befolyó szelep nyitva

Médium betöltése

 Előtte el kell végezni a mérők kalibrálását és behelyezését

Médium sterilezése

Médium eltartása

 Utólagos beállítások elvégzése (pl. pH állítás, hőmérséklet beállítása)

Beoltás

 Inokulum betöltése aszeptikusan

 Perisztaltikus pumpával töltésnél a tartályban nyomáscsökkentés szükséges



Inkubáció

 Legfontosabb dolog az idő szerinti mérés



Leállítás

 Előhűtés/fűtés, pH állítás, stb. a termék kinyeréséhez

 Opcionális: tartály sterilezése: biztonsági okokból



Tisztítás

 Teljes sterilezés

 Detergensekkel kezelés

 CIP rendszerrel (komplex szelepműködtetési beállítás)

Folyamatvezérlés, fermentáció lépései

Folyamatváltás tartályokban:

A folyamatok indítását, lefutását, stb. szigorúan szabályozni kell

Vannak folyamatok, amelyeket a kezelő szabályoz

(standby → médium sterilezés)

Vannak, amelyeket automatika irányít (pl. médium sterilezés tartás)→

Vészhelyzeti program

Állapotdiagram:

Folyamatvezérlés, fermentáció lépései

Szabályozás blokkdiagramja

Fermentáció blokkdiagramja

Szabályozók

PID: P, I, D szabályozók párhuzamosan kapcsolva

P: Arányos (proportional) tag

 Kimenő jele minden pillanatban arányos a bemenő jellel

 Van maradó eltérése

I: Integráló tag

 Nem önbeálló

 Megszünteti a maradó eltérést

 Lassabb dinamikus viselkedést eredményez

Differenciáló tag

 Nem önbeálló

 Nem természetes tag

 Gyakori, rövid ideig tartó zavarásoknál a kilengést csökkenti

PID szabályozóval gyors, finom szabályozás valósítható meg

 Ezeket a szabályozó hangolásával állíthatjuk be

 PID szabályozó gyorsasága és hatékonysága a a rá jellemző

paraméterektől függ, melyet a PID szabályozó algoritmusa határoz meg:

 erősítési tényező, integrálási idő, deriválási idő

 PID szabályozó hatása a szabályozandó paraméterre:

Szabályozók minősítése

T_F: felfutási idő

T_SZ: szabályozási idő

a: maximális túllendülés m.e. : maradó eltérés x_a,2: kívánt alapjel

Csillapodás mértéke:

c/b=1/2 (félamplitúdós) a cél



Hőmérséklet

 Hűtés: hűtővíz bevezetése a köpenybe / tartályba nyúló csőbe

 Fűtés: ugyanez, vagy a tartály közvetlen fűtése

 Alapjel: 20-50 °C ± 1°C

 Válasz: 1 °C/perc-nél nagyobb

Szabályozás eszközei

Szabályozás eszközei



Levegő áramlási sebessége

 Szabályozás: arányos (0-100%) szeleppel, a bemeneti steril szűrő előtt

 Mértékegység: VVM (Gáztérfogat/Folyadék térfogata)

 0-2 VVM

 Pontosság: ± 1% FSD (full scale deflection – a teljes beállítható tartomány)

 Gyors válaszidejű hurokszabályozás

Szabályozás eszközei



Keverési fordulatszám

 Szabályozás: keverőmotor által

 Minél nagyobb a reaktor, annál nagyobb az esély gradiensek kialakulására

 Keverő fordulatszáma akkor optimális, ha

beadagoláskor 1-2 mp alatt megszűnik a gradiens

 Ez problémát okozhat kísérleti üzemi méretű

reaktoroknál (3000 l <), mely problémát ki kell vizsgálni és küszöbölni (pl. kisebb reaktorokban modellezéssel - scale down)

 Gyors válaszidő (10% FSD/perc)



Nyomás



Nyomásnövekedést okoz:



Sterilezésnél a gőzbevezetés



Inkubáció során a levegő bevezetés



Szabályozás: Fermentorból kimenő gőzáram



Negatív visszacsatolású kör: 100%-ig nyitott szelep – minimális nyomás a tartályban



Mértékegység:



Barg (bar gauge) : atmoszférikus feletti nyomás

Szabályozás eszközei

Szabályozás eszközei

 Nyomás növelése

Nagy oxigénátadáshoz

Scale down kísérletekben a hidrosztatikus nyomás szimulálása

 Pontos és gyors szabályozás



pH

 Szabályozás: pufferadagolás a médiumhoz (savas és lúgos is)

pH szabályozás

Oldott oxigén

Szabályozás: Több szabályozókör is részt vesz benne 1.) Hajtóerő növelése

Keverő sebessége, levegő áramlási sebessége, tartálybeli túlnyomás

Egyenként, vagy a 3 paraméter kombinációjaként

 Kaszkádszabályozás: pl. primer kör: levegőztetés, szekunder kör: keverő fordulatszáma

Szabályozás eszközei

DO szabályozás egyik lehetősége

2.) Irányított tápanyag-adagolás

 Tápanyag betáplálás a szekunder kör

 Oxigén betáplálás állandó Betáplálás

Sokféle lehetőség a fermentor méretétől és felépítésétől függően

Aszeptikus töltés

Nagyobb tartályoknál:

 Külön sterilezhető tartály

 Szakaszos adagolás

 Ált. fix térfogatú tápanyag adagolása

Szabályozás eszközei

 Két lehetőség:

Alapjel: adott gyakoriságú adagolás

Kaszkádszabályozás: primer kör: pH, vagy oldott oxigén szint

 Kisebb tartályoknál: (<20 l)

 Más szenzor bevezetése is lehetséges

 Folyamatos, egyenletes áramlás, pontos szabályozás

Hab

Habzás csökkentése

 Habzásgátló anyagok adagolása

 Keverés és/vagy levegőztetés szabályozása

Habzásgátló túladagolása ellen: késleltetés 1-2 mp-ig

Másodlagos szabályozás: levegőztetési / keverési sebesség csökkentése

Szabályozás eszközei

Fermentor szabályozásának általános elemei

Információ újta a rendszerben

Az információt:

A szenzorok detektálják

Jelerősítő és átalakító készülékek továbbítják a jelet a szabályozó felé

A szabályozó a kapott információt összehasonlítja az alapjellel és új információt generál (szabályozó algoritmus), melyet visszavezet a fermentorban található beavatkozóhoz

A beavatkozó fogadja a jelet és végrehajtja a szabályozó műveletet

A kezelő személy látja az információ áramlását, közbeavatkozhat, ha szükséges, és visszakereshet a tárolt adatokban.

A szabályozási rendszer felel a biztonságért is

Információáramlás fermentációs szabályozó

rendszerekben

Irányító rendszer tervezése, automatizálás

Cél:

1.Csak az alapvető funkciók szabályozása inkubáció során (hőmérséklet, keverés, levegőztetés)

2.Automatikus inkubáció szabályozás, csak a sterilezéshez szükséges szelepek manuális szabályozása

3.A fermentációs rendszer teljes automatizálása

4.Fejlettebb inkubációs irányítórendszerek

5.Fejlettebb számítógépes rendszerek

Minél komplexebb a rendszer, annál részletesebb specifikációjú szabályozás kell.

Szabályozások automatizálása

1. Alapfunkciók szabályozása

Egyszerű hurokszabályozás

Jelfelerősítő és szabályozó funkció egyben

Sterilezés: autoklávozás, manuálisan

Általános szabályozási programmal

 A jel típusa (áramerősség/feszültség), és az output eszköz megválasztása

2. Inkubáció szabályozás (a fentiek mellett)

Bonyolultabb hurokszabályozások (pl. oldott oxigénnél több output)

Sterilezés: autoklávozás vagy in situ gőzsterilezés

 Manuálisan (költségek minimalizálása miatt)

Specifikációkkal kapcsolatban egyeztetni kell a programgyártókkal

Szabályozások automatizálása

3. Teljes automatizálás

Inkubáció szabályozása, szelepek működési folyamatának vezérlése

Összehangolás:

 PLC: Programmable Logic Controllers, vagy

 a gyártók saját szoftvereivel

Általában szükséges:

 20 liternél nagyobb fermentoroknál

 Több azonos nagyságú tartálynál

Szoftver

 Lehet alapprogram, ha a szükségletünk egyezik a gyártó által kínált program lehetőségeivel

 Ha az alapprogram nem elég, a célunknak specifikusat kell íratni

 Ez a kivitelezés ideje és a költségek növekedésével jár

4. Fejlettebb szabályozási beállítások

Alapos tervezés és többszöri egyeztetés kell a kivitelezővel

Komplex fermentációs séma, ahol az alapjel menet közben változtatható

Sok fermentoros rendszer esetén osztott szabályozás

 Fermentorok szabályozása független egymástól

 Előnye: az egyik rendszer meghibásodása nem okoz teljes leállást

 Hátrány: felosztással a költségek nőnek

Szabályozások automatizálása

5. Fejlettebb számítógépes rendszerek

 Az analitikai rendszerek nem alkalmasak az optimalizálásra

 Nincs megfelelő szenzor a méréshez → algoritmusok a becsléshez

 A termékek magas ára miatt megéri befektetni

 Önfejlesztő rendszerek

Fermentációs folyamatokat azonosítják

Vizsgálják az érzékenységet a zavarásra

Javító tevékenységet folytatnak a folyamat fejlesztése, költségcsökkentés és katasztrófa megelőzés céljából.

Szabályozások automatizálása

Fejlettebb szabályozási

beállítások

Igények és korlátok

 Fermentációs eljárások drágák, ezért olyan megbízható, hatékony folyamatokat létrehozni, melyek csökkentik a költséget.

 Szabályozás feladata a folyamat megbízhatóságának és megismételhetőségének növelése

 Sok folyamat szakaszos vagy fed batch,ezért az állási idő minimalizálása, bizonyos folyamatok automatizálásával

 On line és off line mérések kombinációjára támaszkodnak

 Főleg szekunder metabolitok termelésének optimalizálásához (antibiotikum)

 Specifikus szondák használata limitált.

GMP előírásai

 Teljes körű leírása a metodológiának (működtetésre, üzembe helyezésre, fejlesztésre vonatkozóan)

 A rendszer validálása a hardware, üzemelés és alkalmazás tekintetében

 Dokumentációja meghatározott validálható

tevékenységeknek (személyzet felelőssége, stb.)

 Bizonyítékokkal megerősíteni, hogy minden eleme a hardwarenek és a szoftvernek ellátja a maga feladatát megbízhatóan és a dokumentált leírásoknak megfelelően

Igény

 Egy rendszer sokszor többet megkövetel mint fix alapjelek beállítása

 Ezért olyan mechanizmus biztosítása, a fix alapjeles

szabályozási rezsimen túl eseményeket tud meghatározni

Fermentációs profilok

 Amikor analizáljuk a folyamatot, meghatározzuk a hasznos kulcsvonásait, illetve azt, hogy a mikrobák

növekedésének melyik fázisában fordulnak ezek elő

 Ezért fontos a növekedési fázisoknak standard definíciót adni

Egy tipikus fermentációs szabályozási profil

Növekedési fázisok: lag, gyorsuló növekedési, exponenciális, lassuló növekedő, stacioner, hanyatló, leállítás/termékkinyerés

Eseménykövető szabályozás

 A meghatározott esemény arra szolgál, hogy egy szabályozó eseményt kiváltson

 Ha az eseménynek van egy jellemző változása időhöz vagy állapothoz köthetően

 Számítógépes szabályozó rendszer könnyen tud alkalmazni úgy nevezett döntési kapukat, ami teszteli a fermentáció helyzetét és szabályozást fog alkalmazni ha ezek a döntési kapuk teljesülnek

 Hogy meghatározzuk, hogy mik legyenek ezek a döntési kapuk és milyen analit vagy analitok kombinációjának értekénél használjuk, alapértékeket kell beállítanunk a szabályzókörben, hogy vizsgálni tudjuk a hatásukat a rendszerre (ha nincs on line szenzorunk erre a célra)

Esetei

 Idő lapú esemény: beoltás után meghatározott idő után válik igazzá

 Analóg érték esemény: akkor válik igazzá ha egy folyamat érték átlép egy határértéket

 Eltelt idő esemény: akkor válik igazzá ha egy esemény után adott idő eltelt

 Boole esemény: logikai kombinációja bármely két másik eseménynek standard Boole-operátort használva

Lehetőségek

 A kiváltó események bármely olyan folyamatból származó jelek lehetnek amelyek annak az eseménynek a helyzetét mutatják

 Meghatározhatóak még rendszer események és figyelmeztető szintek

 Az események maguk is alapjel változásokat indíthatnak vagy új eseményeket

Példa

Boole szabályozás és szabály alkotás

 Klasszikus halmazelméletre támaszkodik kiegészítésekkel

 Komplex szabályozási mintához

 Változik a tápközeg és ezt egy fenotípus kifejeződése fogja követni

 Mivel nem tudjuk, hogy a mikroba hogyan fog válaszolni egyetlen szabályzó körre se azt, hogy ennek milyen a külcsönhatása a többivel

 Boole szabályozással a szabályozás különböző előre beprogramozott szabályzási útvonal lehetőségek közül választhat

 Ha a lehetőségek adottak akkor a kiválasztott út egy szabályt adhat meg amivel a mikroba válasza a

rákényszerített környezetről leírható

Példa

Fejlettebb számítógépes rendszerek

 Tudás alapú rendszer

 Mesterséges ideghálózat

 Genetikai algoritmus

Tudás alapú rendszer

 A tudás egy szabályozási rendszerbe van foglalva

 A már meghatározott adatokból és tényekből egy tudás

adatbázist tudunk létrehozni, amelyre támaszkodva a jövőre vonatkozó döntéseket tudunk meghozni

 Csak már meglévő tudásra tudunk alapozni, és nem feltétlenül kapunk új tudást belőle

 Az előnye, hogy egyszerre több 100 szabályt is képes

alkalmazni másodpercenként, amely a szimultán működő rendszer sok funkcióját képes szabályozni ez által

 Előre betáplált figyelmeztető motívumokat fel tud ismerni és figyelmeztetni tudja az embert, hogy valami eltér a normál értéktől

Mesterséges ideghálózat

 Intelligens számítógépes rendszer (képes tanulni)

 A lényeg, hogy az input a rendszerbe kerüléskor változik úgy, hogy minimalizálja a hibát a kívánt és az aktuális output között

 Idegi rendszerek azért jöhetnek létre mert ezek a rendszerek képesek felismerni motívumokat és

beavatkozni nem ismert adatokba a már ismert motívumok alapján

 Ezzel esemény alapú rendszerek fejleszthetőek úgy, hogy olyan adatok vagy rendszer interferenciák felismerése is elérhetővé váljanak melyek direkt mérésekkel nem

 Magában nem szolgáltat adatokat a pontos természetéről a folyamat bemeneteinek kölcsönhatásairól, mert ez csak egy fekete doboz modell

Genetikai algoritmus

 Ebben az esetben a szabályozás a modern genetika segítségével befolyásolt

 A lényege, hogy az algoritmus képes nagy kísérlet területet kutatni, és egy természetes szelekció nevű eljárással, amely olyan szabályokat és algoritmusokat tartalmaz amelyek a legjobban képesek minimalizálni néhány folyamat költségfüggvényét, képesek vagyunk a kitűzött célra optimalizálni

Köszönjük a figyelmet!

Kérdések

 Mi a különbség a vezérlés és szabályozás között, mit értünk rajta fermentációnál?

 Mik a PID szabályozó jellemzői?

 Hogyan szabályozzuk az egyes paramétereket?

(hőmérséklet, pH, keverés, oldott oxigén, betáplálás)

 Mutassa be az információ útját az irányító rendszerekben!

 Milyen lehetőségeink vannak irányítórendszerek tervezésére? Melyiket mikor alkalmazzuk?

 Az esemény alapú szabályozásnak milyen esetei vannak?

 Milyen fejlettebb számítógépes szabályozási rendszerek vannak? Pár szóval jellemezze őket!