Автоматизация производства

Объект автоматизации  располагается на территории ОАО "Акционерное Курганское общество медицинских препаратов и изделий "Синтез" (ОАО "Синтез") в г. Курган Курганской области России.

За цикл работы ферментера необходимо переключить десятки единиц запорной арматуры, причем в случае ошибочного изменения порядка переключения нарушается стерильность, что ведет к снижению выхода целевого продукта. Управление вручную — одна из причин потерь продукта. Кроме того, оно связано с большими затратами труда и времени, то есть со снижением производительности ферментера.

Информация  о состоянии технологических параметров процесса снимается с датчиков, расположенных внутри ферментера и входящих в состав запорно-регулирующей арматуры.

Основные технологические параметры, имеющие значение для стадии стерилизации являются:

• температура элементов обвязки в ферментере и на выходе;
• давление внутри ферментера.

В соответствии с протекающими в ферментере теплообменными процессами между технологическими параметрами существует следующая связь:

• нагрев острым паром ведет к повышению температуры на соответствующих элементах обвязки на выходе из ферментера;
• охлаждение ферментера холодной водой ведет к снижению температуры и давления внутри аппарата.

Исходя из этого, можно определить входные  параметры, имеющие значение для  процесса стерилизации:

• расход воздуха   F_В;
• расход пара F_П;
• температура пара Т_П;
• температура охлаждающей воды Т_охл;
• расход охлаждающей воды G_ОВ.

И выходные параметры:

• температура среды в ферментере Т_Ф;
• температура элементов трубопроводной обвязки (штуцер) на выходе из ферментера Т_Ш;
• давление внутри ферментера P.

 

Рисунок 2.1 - Ферментер как объект автоматизированного управления

 

Исходными данными для  проектирования системы автоматизированного  управления является количество  технологических  параметров (каналов), которые необходимо контролировать (входные каналы САУ) или с помощью которых необходимо осуществлять регулирование (выходные каналы САУ):

• аналоговых входных каналов:  16;
• аналоговых выходных каналов:  8;
• дискретных входных каналов: 32;
• дискретных выходных каналов: 32.

 Кроме этого  при проектировании необходимо учитывать следующие факторы:

• создаваемая система автоматизированного управления будет работать совместно с САУ ферментации;
• использование датчиков и исполнительных механизмов от САУ ферментации;
• автоматизации подлежит периодический процесс, проводящийся один раз в 240 часов;
• существенные экономические потери, связанные с нарушением регламента процесса;
• наличие не взрывопожароопасного производства;
• размещение объекта управления на небольшой территории;
• возможность наращивания производства за счет добавления новых ферментеров.

 

 

2.2 Технологический процесс

 

Антибиотики (от греч. and-приставка, означающая противодействие, и bios-жизнь), вещества, синтезируемые микроорганизмами, и продукты химической модификации этих веществ, избирательно подавляющие рост патогенных микроорганизмов, низших грибов, а также некоторых вирусов и клеток злокачественных новообразований.

Большинство антибиотиков получают в промышленности микробиологическим синтезом - в ферментерах на специальных питательных средах.

Антибиотики применяются для лечения болезней человека и животных, защиты растений, в животноводстве для улучшения роста и развития молодняка, в пищевой промышленности при консервировании продуктов.

Антибиотик, представляющий собой сложное органическое соединение, отличается высокой чувствительностью  к внешним воздействиям, неустойчивостью в растворах. Существенное повышение температур, длительное пребывание антибиотика в щелочной или кислой среде, контакт с окислителем и т.д. приводят к химическим изменениям, превращающим антибиотик в биологически неактивное вещество.

Для производства антибиотика  используется аппараты и трубопроводы, изготовленные из коррозионно-устойчивых, не загрязняющих продукт материалов (как правило, это нержавеющая сталь).

Процесс биосинтеза антибиотиков состоит из следующих стадий:

• подготовка оборудования (стерилизация) и питательной среды для процесса биосинтеза;
• подготовка посевного материала;
• загрузка питательной среды в ферментер;
• совместная стерилизация питательной среды и оборудования;
• загрузка посевного материала;
• процесс ферментации антибиотика;
• выгрузка и очистка продукта;
• складирование продукта.

Важной особенностью производства антибиотиков, на всех технологических стадиях, являются весьма высокие санитарные требования. Соблюдение высокой степени чистоты помещений и оборудования, систематическая промывка и дезинфекция представляют собой необходимую предпосылку получения продукта высокого качества.

Функциональная  схема автоматизации стадии стерилизации ферментера представлена в приложении А.

В функциональную схему  процесса ферментации антибиотиков входят:

• емкость стерильных подпиток Е1;
• сборник стерильного пеногасителя Е2;
• сборник кислоты Е3;
• сборник щелочи Е4;
• воздушный фильтр ФВ;
• теплообменник Т1;
• насосы перистальтические НП1-4;
• трубопроводы;
• запорно-регулирующая арматура.

Перед процессом биосинтеза антибиотиков ферментер Ф1 подвергается тщательному осмотру и производится серия проверок, определяющих степень его работоспособности. Перед каждой загрузкой питательной среды его промывают горячей водой, проверяется работа мешалки и барботёра, а также исправность КИП. Затем осуществляется проверка герметичности ферментера и прилегающих к нему коммуникаций давлением сжатого воздуха. При соблюдении всех требований начинается стерилизация пустого аппарата.

Ферментер нагревается до 90⁰C острым паром, подаваемым по трубопроводам через термозатворы, глухие штуцера и барботёр. Во время нагрева ферментера до 90⁰С один раз в 3 недели стерилизуют воздушный фильтр. Фильтр прогревается острым паром до 130⁰С и выдерживается 30 мин при этой температуре.

По окончании нагревания (что определяется достижением температуры  конденсата 90⁰С на выходе из ферментера) прекращается подача острого пара. Начинается загрузка питательной среды из емкости подпиток при помощи насоса. При этом продолжается подача пара через барботёр с небольшим расходом, для предотвращения забивания отверстий барботёра частичками питательных веществ. Для доведения до необходимого объема питательной среды в  аппарат заливается питьевая вода. По окончании загрузки питательной среды и вспомогательных операций питательную среду в ферментере нагревается до температуры стерилизации 121⁰С следующим образом:

• подается острый пар через термозатворы, глухие штуцера и барботёр (с высоким расходом пара через барботёр);
• подается пар в рубашку аппарата.

Механическое уплотнение ферментера стерилизуется одновременно с питательной средой.

По достижении в ферментере температуры 121⁰С останавливается подача острого пара через термозатворы на трубопроводах и глухие штуцера. Острый пар продолжает подаваться через барботёр с низким расходом.

Затем ферментер выдерживается в течение 30 мин при t=121⁰C, P=0,2 МПа. Температура стерилизации поддерживается контролируемым расходом пара через рубашку ферментера.

По окончании интервала  выдерживания останавливается подача пара в рубашку и подача острого  пара через барботёр. Начинается подача охлаждающей воды через рубашку ферментера для снижения температуры в ферментере с 121⁰С до 28⁰С, совместно с этим для компенсации давления через барботёр подается стерильный сжатый воздух. После охлаждения ферментера производится ввод посевной культуры через засевной лючок. После засева посевной культуры в аппарате устанавливают оптимальные для ферментации параметры. В ходе процесса осуществляется непрерывная подача стерильного воздуха через воздушный фильтр ФВ, pH статирование подачей растворов кислоты из емкости Е3 или щелочи из Е4, уровень пены регулируется подачей пеногасителя из Е1. При необходимости производятся подпитки из емкости E1, температуру культивирования поддерживают подачей в рубашку охлаждающей воды, давления внутри ферментера поддерживается за счет регулирования расхода отходящих газов.

Продолжительность биосинтеза антибиотиков при посеве из колбы составляет ~240 ч. По истечению этого срока готовая культуральная жидкость выгружается и передаётся на фильтрацию.

 

3 Проектирование системы автоматизации

3.1 Структура системы

рименяя современные  принципы построения систем автоматизированного  управления, можно определить следующую  структуру АСУ стадией стерилизации:

• уровень датчиков и исполнительных механизмов;
• уровень контроллеров и модулей ввода-вывода;
• диспетчерский уровень;
• сетевой интерфейсный уровень.

Уровень датчиков и исполнительных механизмов включает датчики и исполнительные механизмы (ИМ) с дистанционным управлением (приводы насосов, отсечные и регулирующие клапаны), необходимые для получения  информации о ходе управления технологическим процессом. Требования, предъявляемые к этому уровню, – надежность в эксплуатации, точность измерений и управления.

Уровень контроллеров и  модулей ввода-вывода решает классические задачи управления технологическими процессами. Наличие этого уровня является обязательным, так как основные функции управления в системе реализуются именно на этом уровне. Функции – сбор и обработка первичной технологической информации, управление технологическим процессом. Центральным элементом на этом уровне является программируемый логический контроллер (ПЛК). В соответствии с заложенной в него программой   через встроенные или подключаемые модули ввода-вывода осуществляется сбор и обработка первичной информации с самого нижнего уровня – от датчиков технологических параметров, а также управления исполнительными механизмами.

Основные функции диспетчерского уровня – сбор, обработка данных и отображение  технологического процесса. Средства диспетчерского уровня позволяют производственному персоналу удаленно контролировать течение технологического процесса, предоставляют доступ к исторической и актуальной технологической информации в удобной для восприятия форме в виде мнемосхем, диаграмм, тревог, исторических данных. На этом уровне необходимо обеспечивать корректность, доступность, простоту понимания отображаемой и записываемой технологической информации. Диспетчерский уровень представлен автоматизированным рабочим местом (АРМ) оператора – компьютерами, получающими информацию с нижних уровней, на которых функционируют системы сбора данных и управления (SCADA), ведутся архивы баз данных (БД) технологических параметров.

Сетевой уровень является прослойкой между вычислительными  средствами верхнего и нижних уровней, отвечает за взаимодействие АРМ, систем БД,   промышленных контроллеров и устройств сопряжения с объектом (УСО).