0 引言
自動化和信息化技術的廣泛應用已經(jīng)成為當今社會發(fā)展的主要趨勢之一，而發(fā)酵行業(yè)作為制藥領域的一個重要分支，也在積極應用和探索自動化信息技術在生產(chǎn)制造過程中發(fā)揮作用。本文將重點探討發(fā)酵行業(yè)自動化信息技術的最新應用及展望，希望通過對該領域的深入研究，為推動行業(yè)技術進步和產(chǎn)業(yè)升級提供一些新的思路和建議。
1 研究背景
發(fā)酵工藝自動化的應用。發(fā)酵工藝是發(fā)酵行業(yè)的核心環(huán)節(jié)，而發(fā)酵工藝自動化技術的應用則是當前發(fā)酵行業(yè)技術發(fā)展的一個重要方向。在傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)中，往往需要大量的人力和物力投入，而且由于人為因素的干擾，產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量往往無法得到保證。隨著我們老齡化的趨勢，從事一線的操作員工越來越少，就要求我們向自動化方向轉型，盡可能減少操作人員的投入。同時隨著現(xiàn)代自動化技術的不斷發(fā)展，發(fā)酵工藝的自動化應用也得到了迅速推廣和應用。目前我們的發(fā)酵發(fā)展主要是對一個大眾化的產(chǎn)品高量產(chǎn)，以及一些高價值的小眾產(chǎn)品的精細控制兩個方向發(fā)展。
1.1 發(fā)酵基礎料自動配料
在傳統(tǒng)大發(fā)酵的配料階段，往往是需要投入大量的人力來進行發(fā)酵原料的搬運，例如成噸的玉米、袋裝的物料等，然后投到配料罐然后再加那種固體和液體物料進行配置。目前在發(fā)酵配料階段需要大力引進自動化配料裝置，通過自動化系統(tǒng)與機械設備相結合，對大噸位或者袋裝的原料進行轉運，然后機械破袋、下料，同時自動加入其他固體料和液體料來實現(xiàn)基礎料的自動化轉運和配置。這樣可以減少該工段的工人數(shù)量以及勞動強度，提高工作效率。目前對于不同的物料采用不同的方式，對用噸包物料采用噸包-電動葫蘆-自動拆包機-料倉-配料罐，對用袋包物料采用袋包-AGV轉運-機械手臂-傳送帶-自動拆包機-料倉-配料罐，在轉運過程中通過自動化系統(tǒng)的控制和掃碼設備的配合物料的追蹤和數(shù)據(jù)收集。
1.2 發(fā)酵自動消毒及清洗
目前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)由原來的人工消毒，逐步轉到一鍵空消、一鍵實消。原來的老消毒工逐漸由鍵空消、一鍵實消控制代替，減低了人員的勞動強度、減少了消毒人員的投入和企業(yè)的風險性。自動升溫過程自動化控制，其穩(wěn)定性遠遠超過手動消毒，可以實現(xiàn)溫度平穩(wěn)上升，保壓階段溫度壓力曲線近乎直線，維持過程自動化能有效減少人為失誤或人為誤差導致的批次間不穩(wěn)定、升溫時間、維持時間不一致等現(xiàn)象。但是一鍵空消、一鍵實消往往會帶來大量的能源消耗，同時由于局部熱量會對培養(yǎng)基營養(yǎng)破壞，它并不是最理想的，目前逐步上智能連續(xù)滅菌裝置來進行發(fā)酵消毒。
1.2.1 智能連續(xù)滅菌裝置
智能連續(xù)滅菌裝置提高了消毒的穩(wěn)定性，減少能源損耗、降低培養(yǎng)基營養(yǎng)破壞，智能連續(xù)滅菌裝置要由連續(xù)進料單元、換熱單元、控制單元組成，具備以下幾個特點。
(1）提升產(chǎn)能：智能連續(xù)滅菌裝置有利于提高設備周轉率，提高整體生產(chǎn)效率。在發(fā)酵罐實消過程中發(fā)酵罐占用時間包含物料從配料罐進罐時間、發(fā)酵罐升溫時間、實消維持時間、實消降溫時間。采用連續(xù)滅菌工藝，進料時間與發(fā)酵罐實消物料從配料罐進罐時間近似，連續(xù)滅菌時空消發(fā)酵罐所用時間與實消維持時間近似相等，相對于實消，減少了物料在發(fā)酵罐實消過程中的升溫+降溫時間。且實際生產(chǎn)中，實消前也可能空消發(fā)酵罐，罐占用周期更長。
(2）無菌性及穩(wěn)定性：一鍵式連消水消通過控制水的流速和溫度，整個熱水循環(huán)滅菌過程相比蒸汽滅菌對管道閥門的沖擊緩和，另外對設備及管道死角、結疤部位能做到更徹底的滅菌效果，保證生產(chǎn)過程中物料的無菌性。
(3）營養(yǎng)成分破壞少：傳統(tǒng)車間手動操作和實消過程保溫時間長且滅菌溫度波動大，對培養(yǎng)基營養(yǎng)成分有一定的破壞影響，特別是糖和蛋白質(zhì)量比較多的情況下，其發(fā)生反應生成的蛋白糖等對微生物的生長不利。自動化車間采用一鍵式連消，滅菌時間短，培養(yǎng)基營養(yǎng)成分破壞小，且對于有特殊要求的物料可以采用同設備分消的方式，保護培養(yǎng)基營養(yǎng)成分、提高發(fā)酵產(chǎn)物量。
(4）節(jié)能降耗：發(fā)酵車間的蒸汽節(jié)約主要措施是采用連續(xù)滅菌裝置和余熱回收方式。自動化車間可對發(fā)酵罐和種子罐的空消實消過程消毒排汽和小排汽進行收集，真正達到能源的重復利用。發(fā)酵車間的循環(huán)水節(jié)約主要措施是采用連消工藝，物料經(jīng)連消進發(fā)酵罐溫度可控制發(fā)酵接種溫度，可節(jié)省發(fā)酵罐實消后降溫的循環(huán)水。發(fā)酵車間采用連消工藝節(jié)約的電能主要有兩方面，一方面是節(jié)省的循環(huán)水需要泵輸送到發(fā)酵車間，節(jié)約了泵輸送所需的電能；另一方面是設備周轉率提高后減少了罐攪拌開啟時間，節(jié)約了罐攪拌開啟所需電能。
(5）近零排放：自動化車間采用全封閉式連消工藝，消毒過程中，減少消毒排氣，減少車間周圍消毒過程異味的排出。自動化車間所有的小排汽進行收集，無消毒排氣排放，降低車間消毒過程中的噪音，保證生產(chǎn)車間溫濕度。
1.2.2 CIP清洗系統(tǒng)
發(fā)酵罐的清洗也逐步引入了CIP清洗系統(tǒng)，通過控制噴淋球在罐內(nèi)軌道的移動，噴淋球實現(xiàn)360度無死角清洗。具有以下優(yōu)點：節(jié)約操作時間，提高工作效率；清洗結果高度一致性、可重復性；工人勞動強度更低，不需要拆卸和安裝;工人更有安全保障，不需要進罐、避免跌落或接觸清洗劑等。
1.3 發(fā)酵的生產(chǎn)過程控制
自動控制系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測生產(chǎn)過程中的各項參數(shù)，通過調(diào)節(jié)溫度、壓力、pH值等關鍵指標，使發(fā)酵過程能夠更加穩(wěn)定和高效。同時，自動化技術還可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全程追蹤和記錄，為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了更加有力的保障。在生產(chǎn)過程不斷的優(yōu)化工藝控制、引入新的系統(tǒng)和傳感器來提高整個發(fā)酵自動化水平。
1.3.1 一鍵式控制
傳統(tǒng)車間采用手動操作，新員工入職需要經(jīng)過長時間培訓、操作工序復雜，至少經(jīng)過半年時間培訓，才能獨立上崗操作。自動化車間采用一鍵式空消、連消、實消、補料、倒種、放料，員工只需在操作站點擊空消、連消、實消、補料等工藝段按鈕，現(xiàn)場所有閥門自動開關，操作簡單。自動化車間發(fā)酵過程中，工藝參數(shù)控制穩(wěn)定、控制精度高，如實消溫度、保溫時間、發(fā)酵溫度、發(fā)酵罐罐壓、進氣流量等過程參數(shù)。批與批之間工藝參數(shù)控制穩(wěn)定，保證批次之間質(zhì)量一致性。
1.3.2 補料控制
發(fā)酵補料生產(chǎn)過程中的一項關鍵操作。它不僅可以提供氧氣，促進微生物的生長和代謝，還能幫助維持發(fā)酵液的穩(wěn)定性和防止泡沫的產(chǎn)生。在許多工業(yè)發(fā)酵過程中，補料操作對于產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)量都有著決定性的影響。
目前國內(nèi)的發(fā)酵過程補料控制主要有流加補料和間歇補料。（1）流加補料：補料管路上設有一臺自動閥門和一臺流量計或稱重，設定要求的補料速率、補料預置總量、補料周期等參數(shù)，系統(tǒng)啟動后按照設定補料速率開始補料，待補料總量達到預置總量后補料結束。（2）間歇補料：補料系統(tǒng)采用補料杯，設定好補料速率，預置總量，系統(tǒng)啟動后按照設定補料速率開始補料，待補料總量達到預置總量后補料結束。流加補料采用先進的流量計具備更高精度地控制補料量，達到生產(chǎn)要求。
通過補料控制預制清單與控制相結合更能很好地提高補料的準確度和及時性。這樣減少了人為因素，讓生產(chǎn)具備更多確定性和統(tǒng)一性。補料控制預制清單是根據(jù)大數(shù)據(jù)分析進行比對，得出每個階段各個物料補充量和速率等參數(shù)，這樣能讓生產(chǎn)過程更加標準化。
1.4 先進控制系統(tǒng)和傳感器的應用
1.4.1 先進順控和Batch控制
隨著國內(nèi)外控制系統(tǒng)的功能完善和技術的逐漸成熟，我們要在復雜和關鍵的控制中引入順序控制，明確每一步的判斷條件和準備狀態(tài)，執(zhí)行明確的指令，減少系統(tǒng)出現(xiàn)不必要的連鎖；好的順控更能結合人的控制思路完成控制任務，這樣就會讓整個控制系統(tǒng)更加精確。減少了系統(tǒng)中非必要功能塊的應用，可以讓系統(tǒng)瘦身，讓系統(tǒng)更好、更穩(wěn)定的運行。
逐步引入BATCH處理控制系統(tǒng)，采用符合ISA S88.01標準的柔性批控制軟件，他可以制定不同的配方生產(chǎn)多品種產(chǎn)品。每一個配方都會有他獨特的參數(shù)配置和工藝生產(chǎn)路線，這樣就是將來發(fā)酵多功能車間的一個方向。對整個生產(chǎn)過程中所有的批次相關數(shù)據(jù)、報警及時間進行采集記錄，為后期MES和ERP等系統(tǒng)預留了軟件接口，為整個車間的信息化打下了基礎，對后期的數(shù)據(jù)分析也起到了至關重要的作用。
1.4.2 先進在線儀表
先進的自動化控制離不開先進的檢測儀表，目前發(fā)酵的常規(guī)參數(shù)都可以實現(xiàn)在線檢測，但是一些關鍵參數(shù)還是無法通過在線檢測實現(xiàn)。目前逐步引入在線的紅外光譜儀在線檢測發(fā)酵的關鍵參數(shù)得到了很好的試用。他可以在線對發(fā)酵液的成分進行分析比對，更好地指導生產(chǎn)系統(tǒng)進行相關自動化控制，實現(xiàn)全在線檢測功能，會減少發(fā)酵過程中取樣的風險，提高生產(chǎn)水平。
1.4.3 計算機驗證
計算機驗證可以幫助用戶對整個系統(tǒng)的風險性、功能性、質(zhì)量等多方面進行測試，最終達到用戶需求。計算機驗證是可根據(jù)SFDA、FDA、EMEA、WHO在GMP、GAMP5、21CFR Part11等方面的要求，在正式生產(chǎn)前期對自動化控制系統(tǒng)進行全方位的驗證。計算機驗證在發(fā)酵生產(chǎn)中的應用已經(jīng)取得了顯著的成果，并將在未來發(fā)揮更加重要的作用，以進一步保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時提高發(fā)酵生產(chǎn)的效率和品質(zhì)。
2 智能制造技術在發(fā)酵行業(yè)的應用
隨著人工智能技術的不斷進步，智能制造已經(jīng)成為當今制造業(yè)的新趨勢，在發(fā)酵行業(yè)中同樣有著廣泛的應用前景。在傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)中，大多數(shù)企業(yè)人力來實現(xiàn)生產(chǎn)，通過引入智能制造技術，增加生產(chǎn)過程的自動化設備可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的智能化。通過物料管理和追蹤實現(xiàn)對生產(chǎn)計劃的落實,庫存的管理，并通過建立數(shù)據(jù)模型、優(yōu)化生產(chǎn)計劃、預測質(zhì)量異常等方法，實現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)過程的智能化和高效化。
2.1 供應鏈管理
信息化技術可以促進傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同和供應鏈管理。通過建立云平臺和數(shù)據(jù)共享機制，企業(yè)可以實現(xiàn)整個廠區(qū)供應鏈實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，并進行生產(chǎn)決策，提高整個供應鏈的效率和靈活性。同時，利用大數(shù)據(jù)分析和智能算法，可以對供應鏈進行優(yōu)化和預測，實現(xiàn)資源的合理配置和庫存的精確控制。
2.2 生產(chǎn)工藝優(yōu)化
傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)通過信息化技術可以實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。通過監(jiān)測關鍵參數(shù)如溫度、濕度、pH值等，實時控制發(fā)酵過程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時，結合數(shù)據(jù)分析和人工智能技術，可以進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝中的瓶頸和改進空間。
2.3 質(zhì)量控制和質(zhì)量追溯
借助信息化技術，傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)可以實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的全鏈路控制和追溯。通過將傳感器、監(jiān)測設備等與信息系統(tǒng)連接，實時監(jiān)測和記錄各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合標準要求。同時，通過建立完整的質(zhì)量追溯體系，可以追蹤產(chǎn)品從原料采購到生產(chǎn)加工的全過程，從而提高產(chǎn)品安全性和信譽度。
2.4 能源管理和節(jié)能減排
信息化技術可以幫助傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)實現(xiàn)能源的有效管理和節(jié)能減排。發(fā)酵環(huán)節(jié)的主要設備為發(fā)酵罐和種子罐，以及原料（培養(yǎng)基）調(diào)制、蒸煮、滅菌、冷卻、通氣調(diào)節(jié)、除菌、攪拌等附屬設備。發(fā)酵周期長，涉及的工藝和附屬設備功率大、能耗高，因此，是發(fā)酵類制藥工業(yè)能源消耗最大的工藝環(huán)節(jié)。通過實施發(fā)酵動力系統(tǒng)和能量系統(tǒng)的優(yōu)化，采用新型發(fā)酵攪拌器，以及大功率設備的變頻改造等措施，可達到節(jié)能效果。發(fā)酵物料滅菌工藝中需要消耗大量的蒸汽，全封閉式連消代替實消過程，減少蒸汽使用量和消毒排氣，降低噪聲。發(fā)酵罐及原料消毒滅菌后的高溫泛汽和冷凝水，以及發(fā)酵過程罐體冷卻用的冷卻水，可以通過回收系統(tǒng)的改造加以循環(huán)利用。提高發(fā)酵過程自動化控制信息化管理，減少人員成本和人為干預，避免人為因素造成生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的能源浪費，保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。通過監(jiān)測能源使用情況、優(yōu)化設備運行參數(shù)，以及精確計量能源消耗，可以實現(xiàn)能源的合理配置和減少能源浪費。此外，結合數(shù)據(jù)分析和智能控制算法，可以提供節(jié)能減排方面的決策支持，進一步降低環(huán)境污染。
3 大數(shù)據(jù)分析在發(fā)酵行業(yè)的應用
大數(shù)據(jù)技術的應用已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)，而在發(fā)酵行業(yè)中也有著廣泛的應用前景。通過對生產(chǎn)過程中的各項指標進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，可以建立起完整的數(shù)據(jù)集，為后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析提供了基礎。通過大數(shù)據(jù)分析技術，可以從海量數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，并通過建立數(shù)據(jù)模型、優(yōu)化生產(chǎn)流程等手段，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)能，從而實現(xiàn)發(fā)酵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
傳統(tǒng)發(fā)酵車間生產(chǎn)過程參數(shù)及批次記錄，都是人工手抄在紙上，無法保證過程參數(shù)的真實性及可靠性。自動化車間生產(chǎn)過程參數(shù)，都是通過儀表采集，自動傳輸進入控制系統(tǒng)，存儲在操作站中，保證數(shù)據(jù)的可靠性及可追溯性。自動化過程采集數(shù)據(jù)，形成工藝大數(shù)據(jù)，為后期進行工藝改進提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
在發(fā)酵過程中對每個批次的數(shù)據(jù)進行收集，然后對每個批次的關鍵數(shù)據(jù)溫度、壓力、流量進行比對，然后研究出關鍵的參數(shù)點以及參數(shù)的控制值，最后以研究結果指導自動化控制系統(tǒng)的控制，來實現(xiàn)產(chǎn)能的更大化，產(chǎn)品的收率更高。通過扥西各發(fā)酵罐尾氣中的O2和CO2含量，計算出OUR、CER和RQ，工藝技術人員可以根據(jù)這些參數(shù)分析菌種生長情況，做出相應的工藝調(diào)整，以達到更高的產(chǎn)量。對于能源數(shù)據(jù)的使用也可以形成對比，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，調(diào)整能源供應方式，減少能源的投入成本。
大數(shù)據(jù)可以監(jiān)測設備狀態(tài)和生產(chǎn)過程中的異常情況，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行診斷。通過智能算法和專家系統(tǒng)，可以預測設備的壽命和維護需求，提前采取修復或更換措施，避免生產(chǎn)中斷和損失。
4 發(fā)展趨勢展望
展望未來，隨著自動化、信息化技術的不斷成熟和進步，發(fā)酵行業(yè)將迎來更大的發(fā)展空間。未來，發(fā)酵工藝自動化將會更加智能化和精細化，同時大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術的應用也將會得到更加廣泛的推廣。這些新技術的應用將極大地提高發(fā)酵行業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時也將推動整個行業(yè)向著數(shù)字化轉型的方向邁進。
5 結語
發(fā)酵行業(yè)自動化信息化技術的應用已經(jīng)成為發(fā)酵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而未來的發(fā)展空間也將更加廣闊。通過本文的深入探討，希望可以為推動該領域技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級提供一些新的想法和建議，促進發(fā)酵行業(yè)邁向更加繁榮和可持續(xù)的發(fā)展。
