Партидата е достигнала зададената температура, а pH все още се движи в очаквания диапазон. На пръв поглед процесът е нормален. Няколко часа по-късно обаче скоростта на подкиселяване се променя, пяната се покачва, а крайният добив остава под планирания. Именно в такива ситуации казусът за контрол на ферментация показва разликата между отделни измервания и действително управляван процес.
Ферментацията не е един параметър, който се поддържа с един датчик. Тя е динамична биологична система, в която температурата, pH, разтвореният кислород, подаването на хранителна среда, смесването и стерилността се влияят взаимно. За производителите на храни и напитки, биотехнологични продукти, ензими, органични киселини или фармацевтични субстанции това означава, че малко отклонение в началото може да се превърне в сериозна разлика между две иначе сходни партиди.
Казус за контрол на ферментация: откъде започва проблемът
Разглеждаме типичен сценарий при ферментатор с работен обем 5 m³, използван за аеробна микробиологична ферментация. Производството отчита непостоянна продължителност на циклите и разлики в крайния продукт. Операторите компенсират ръчно чрез промяна на оборотите на бъркалката, дебита на въздуха и охлаждането, но решенията се вземат по моментни стойности и натрупан практически опит, без достатъчна проследимост.
Първоначалната проверка показва, че температурата се записва надеждно, но pH електродът се калибрира нередовно, измерването на разтворен кислород има забавена реакция, а пяната се наблюдава визуално. Не е дефинирана и ясна логика как процесът да реагира при достигане на критични граници. В резултат управляващата система отчита данни, но не превръща тези данни в своевременно действие.
Това е често срещан риск. Монтираният уред не е автоматично процесен контрол. Надеждният контрол изисква правилно определени контролни точки, годни за средата сензори, валидирани граници и логика за управление, съобразена с конкретния микроорганизъм, рецептура и технологична цел.
Критичните параметри работят като система
Температурата е първият параметър, който обикновено се автоматизира, защото влияе пряко върху метаболитната активност и може да се управлява чрез охлаждаща риза, вътрешна серпентина или външен топлообменник. Само температурен контрол обаче не е достатъчен. При повишена клетъчна активност нуждата от кислород нараства, а усилената аерация и разбъркване могат да повишат пенообразуването и да променят топлинния баланс.
pH е едновременно индикатор за развитието на процеса и управляван параметър. Стойността му може да се коригира с дозиране на киселина, основа или хранителен разтвор, но всяка корекция трябва да отчита инерцията на средата. Агресивното дозиране с голяма стъпка често води до колебания около зададената стойност. По-подходящ е контрол с ограничени дози, достатъчно време за хомогенизиране и проверка дали pH пробата е представителна за целия обем.
При аеробните процеси разтвореният кислород, DO, е ключов за поддържане на растежа и продуктивността. Когато стойността му спадне под зададения минимум, логиката може последователно да повиши оборотите на бъркалката, дебита на въздуха, налягането в съда и при необходимост съдържанието на кислород в подавания газ. Последователността има значение. Повишаването на газовия дебит например не винаги е най-ефективният първи ход, особено при чувствителност към пяна или ограничен капацитет на филтрите за изходящ газ.
Контролът на пяната не бива да остава извън автоматизацията. Проводимостен или капацитивен датчик за пяна, свързан с дозираща помпа за антипенител, намалява риска от преливане, замърсяване на филтрите и загуба на продукт. Тук има и компромис: прекомерното количество антипенител може да влоши газообмена или да усложни последващото пречистване. Затова дозата трябва да се записва и да се анализира спрямо останалите процесни данни.
Как беше изградено работещо решение
В този сценарий инженерният екип започва не с избор на контролер, а с карта на процеса. Определят се фазите на ферментацията – подготовка и SIP/CIP, инокулация, начален растеж, основна ферментация, хранене, завършване и разтоварване. За всяка фаза се задават допустими диапазони, алармени прагове, права за ръчна намеса и условия за автоматичен преход.
Измервателната част включва Pt100 температурен датчик, индустриален pH сензор с подходяща референтна система за биопроцеси, оптичен или полярографски DO сензор според изискванията за поддръжка, датчик за пяна и измерване на налягане. При процеси, чувствителни към прехранване, се добавят измерване на маса чрез тензодатчици под ферментатора или контрол на подаването чрез масов разходомер и дозираща помпа.
Изборът на сензор не е само въпрос на измервателен обхват. Трябва да се оценят температурата и налягането при стерилизация, съвместимостта с CIP химикали, типът на процесните присъединявания, възможността за калибриране на място и времето за реакция. При pH измерването например неподходящият електрод може да дава стабилни, но неверни стойности след няколко цикъла на стерилизация. Това създава фалшиво усещане за контрол, което е по-опасно от видима повреда.
Управлението се реализира чрез PLC и HMI, с регистриране на всички критични данни: текущи стойности, зададени точки, аларми, статут на клапани и помпи, промени от оператор, калибрации и дозирани количества. При необходимост данните се предават към SCADA или производствена информационна система. Така всяка партида получава собствена технологична история, а отклоненията могат да бъдат проследени до конкретна фаза, действие или измервателен канал.
От аларма към контролирана реакция
Съществената промяна в казуса не е само новото измервателно оборудване, а дефинирането на действията при отклонение. Ако температурата превиши предупредителния праг, системата увеличава охлаждането и уведомява оператора. При достигане на критичен праг се блокира подаването на хранителен разтвор, ако то допринася за прекомерна метаболитна активност. Ако DO спадне, каскадният контрол задейства предварително определена последователност, вместо операторът да променя няколко параметъра едновременно.
Тази логика трябва да бъде тествана в реални работни условия. Factory acceptance test сам по себе си не е достатъчен. При пуска на място се проверяват посоките на управление, времето за реакция на изпълнителните механизми, реалното смесване, работата на помпите при различен вискозитет и поведението на алармите при прекъсване на сигнал. За регулирани производства към това се добавят IQ/OQ/PQ протоколи и контролирано управление на версиите на софтуера.
Какъв е измеримият ефект
След стабилизиране на измерванията и автоматизиране на критичните реакции най-често се наблюдават по-малко ръчни корекции, по-тесен диапазон на продължителността на партидите и по-добра повторяемост на крайния показател – добив, активност, киселинност, остатъчна захар или концентрация на целевия метаболит. Реалният ефект зависи от процеса. При партиди с вече зряла и стабилна технология ползата може да е основно в проследимостта и намаления риск. При процес с чести отклонения подобрението в производителността може да бъде значително.
Не трябва да се пренебрегва и сервизната страна. Планът за периодична калибрация, наличието на резервни консумативи, правилното съхранение на електродите и обучението на операторите определят дали системата ще запази точността си след шест месеца работа. В практиката голяма част от проблемите не идват от контролера, а от замърсен сензор, изсъхнала pH мембрана, неправилна калибрационна процедура или неразбрана аларма.
За Хъб за Процеси и Апарати инженерната стойност е именно в свързването на измерването, автоматизацията, квалификацията и поддръжката в работеща система. При ферментацията най-доброто решение не е това с най-много точки за измерване, а това, което дава надеждни данни и предвидима реакция във всяка критична фаза на партидата.
Следващата полезна стъпка за всеки производствен екип е да прегледа една реална партида с отклонение: кои стойности са били измерени, кога е извършена намеса и какво не е било записано. Именно липсващата връзка между тези три въпроса обикновено показва къде контролът на ферментацията трябва да бъде подобрен.
