0 引言
自動化和信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)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(lǐng)域的一個重要分支，也在積極應(yīng)用和探索自動化信息技術(shù)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(shù)的最新應(yīng)用及展望，希望通過對該領(lǐng)域的深入研究，為推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)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(yīng)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(shù)的應(yīng)用則是當(dāng)前發(fā)酵行業(yè)技術(shù)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(zhuǎn)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(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)酵工藝的自動化應(yīng)用也得到了迅速推廣和應(yīng)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(xì)控制兩個方向發(fā)展。
1.1 發(fā)酵基礎(chǔ)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(jìn)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(jìn)行配置。目前在發(fā)酵配料階段需要大力引進(jìn)自動化配料裝置，通過自動化系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備相結(jié)合，對大噸位或者袋裝的原料進(jìn)行轉(zhuǎn)運，然后機(jī)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(chǔ)料的自動化轉(zhuǎn)運和配置。這樣可以減少該工段的工人數(shù)量以及勞動強(qiáng)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(jī)-料倉-配料罐，對用袋包物料采用袋包-AGV轉(zhuǎn)運-機(jī)械手臂-傳送帶-自動拆包機(jī)-料倉-配料罐，在轉(zhuǎn)運過程中通過自動化系統(tǒng)的控制和掃碼設(shè)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(zhuǎn)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(qiáng)度、減少了消毒人員的投入和企業(yè)的風(fēng)險性。自動升溫過程自動化控制，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(shè)備周轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)料時間與發(fā)酵罐實消物料從配料罐進(jìn)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(shè)備及管道死角、結(jié)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(yīng)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(shè)備分消的方式，保護(hù)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(jìn)行收集，真正達(dá)到能源的重復(fù)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(jìn)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(shè)備周轉(zhuǎn)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(jìn)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?qū)崿F(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(jié)果高度一致性、可重復(fù)性；工人勞動強(qiáng)度更低，不需要拆卸和安裝;工人更有安全保障，不需要進(jìn)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?qū)崟r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(guān)鍵指標(biāo)，使發(fā)酵過程能夠更加穩(wěn)定和高效。同時，自動化技術(shù)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(xùn)、操作工序復(fù)雜，至少經(jīng)過半年時間培訓(xùn)，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(bǔ)料、倒種、放料，員工只需在操作站點擊空消、連消、實消、補(bǔ)料等工藝段按鈕，現(xiàn)場所有閥門自動開關(guān)，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(jìn)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(bǔ)料控制
發(fā)酵補(bǔ)料生產(chǎn)過程中的一項關(guān)鍵操作。它不僅可以提供氧氣，促進(jìn)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(bǔ)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(bǔ)料控制主要有流加補(bǔ)料和間歇補(bǔ)料。（1）流加補(bǔ)料：補(bǔ)料管路上設(shè)有一臺自動閥門和一臺流量計或稱重，設(shè)定要求的補(bǔ)料速率、補(bǔ)料預(yù)置總量、補(bǔ)料周期等參數(shù)，系統(tǒng)啟動后按照設(shè)定補(bǔ)料速率開始補(bǔ)料，待補(bǔ)料總量達(dá)到預(yù)置總量后補(bǔ)料結(jié)束。（2）間歇補(bǔ)料：補(bǔ)料系統(tǒng)采用補(bǔ)料杯，設(shè)定好補(bǔ)料速率，預(yù)置總量，系統(tǒng)啟動后按照設(shè)定補(bǔ)料速率開始補(bǔ)料，待補(bǔ)料總量達(dá)到預(yù)置總量后補(bǔ)料結(jié)束。流加補(bǔ)料采用先進(jìn)的流量計具備更高精度地控制補(bǔ)料量，達(dá)到生產(chǎn)要求。
通過補(bǔ)料控制預(yù)制清單與控制相結(jié)合更能很好地提高補(bǔ)料的準(zhǔn)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(bǔ)料控制預(yù)制清單是根據(jù)大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行比對，得出每個階段各個物料補(bǔ)充量和速率等參數(shù)，這樣能讓生產(chǎn)過程更加標(biāo)準(zhǔn)化。
1.4 先進(jìn)控制系統(tǒng)和傳感器的應(yīng)用
1.4.1 先進(jìn)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(shù)的逐漸成熟，我們要在復(fù)雜和關(guān)鍵的控制中引入順序控制，明確每一步的判斷條件和準(zhǔn)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(jié)合人的控制思路完成控制任務(wù)，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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)數(shù)據(jù)、報警及時間進(jìn)行采集記錄，為后期MES和ERP等系統(tǒng)預(yù)留了軟件接口，為整個車間的信息化打下了基礎(chǔ)，對后期的數(shù)據(jù)分析也起到了至關(guān)重要的作用。
1.4.2 先進(jìn)在線儀表
先進(jìn)的自動化控制離不開先進(jìn)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(guān)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(guān)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(jìn)行分析比對，更好地指導(dǎo)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)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(fēng)險，提高生產(chǎn)水平。
1.4.3 計算機(jī)驗證
計算機(jī)驗證可以幫助用戶對整個系統(tǒng)的風(fēng)險性、功能性、質(zhì)量等多方面進(jìn)行測試，最終達(dá)到用戶需求。計算機(jī)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(jìn)行全方位的驗證。計算機(jī)驗證在發(fā)酵生產(chǎn)中的應(yīng)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(jìn)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(shù)在發(fā)酵行業(yè)的應(yīng)用
隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能制造已經(jīng)成為當(dāng)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(yīng)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(shù)，增加生產(chǎn)過程的自動化設(shè)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(yù)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(yīng)鏈管理
信息化技術(shù)可以促進(jìn)傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同和供應(yīng)鏈管理。通過建立云平臺和數(shù)據(jù)共享機(jī)制，企業(yè)可以實現(xiàn)整個廠區(qū)供應(yīng)鏈實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，并進(jìn)行生產(chǎn)決策，提高整個供應(yīng)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(yīng)鏈進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)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(shù)可以實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。通過監(jiān)測關(guān)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(jié)合數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，可以進(jìn)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(jìn)空間。
2.3 質(zhì)量控制和質(zhì)量追溯
借助信息化技術(shù)，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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)度。
2.4 能源管理和節(jié)能減排
信息化技術(shù)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(shè)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(shè)備。發(fā)酵周期長，涉及的工藝和附屬設(shè)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(shè)備的變頻改造等措施，可達(dá)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(yù)，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(shè)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(jié)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(jìn)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(yīng)用
大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用前景。通過對生產(chǎn)過程中的各項指標(biāo)進(jìn)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(chǔ)。通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，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(jìn)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(jìn)行工藝改進(jìn)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(jìn)行收集，然后對每個批次的關(guān)鍵數(shù)據(jù)溫度、壓力、流量進(jìn)行比對，然后研究出關(guān)鍵的參數(shù)點以及參數(shù)的控制值，最后以研究結(jié)果指導(dǎo)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(shù)人員可以根據(jù)這些參數(shù)分析菌種生長情況，做出相應(yīng)的工藝調(diào)整，以達(dá)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(yīng)方式，減少能源的投入成本。
大數(shù)據(jù)可以監(jiān)測設(shè)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(jìn)行診斷。通過智能算法和專家系統(tǒng)，可以預(yù)測設(shè)備的壽命和維護(hù)需求，提前采取修復(fù)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(shù)的不斷成熟和進(jìn)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(xì)化，同時大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)的應(yīng)用也將會得到更加廣泛的推廣。這些新技術(shù)的應(yīng)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(zhuǎn)型的方向邁進(jìn)。
5 結(jié)語
發(fā)酵行業(yè)自動化信息化技術(shù)的應(yīng)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(lǐng)域技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級提供一些新的想法和建議，促進(jìn)發(fā)酵行業(yè)邁向更加繁榮和可持續(xù)的發(fā)展。
