Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Folyamatirányítás fermentációknál Gál Boglárka Bartók Gábor Máté.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Folyamatirányítás fermentációknál Gál Boglárka Bartók Gábor Máté."— Előadás másolata:

1 Folyamatirányítás fermentációknál Gál Boglárka Bartók Gábor Máté

2 Folyamatirányítás szerepe  Irányítás, befolyásolás  Mikroorganizmusoknak kedvező körülmények biztosítása  Biztonsági okok

3 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

4 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

5  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

6 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

7 Szabályozás blokkdiagramja

8 Fermentáció blokkdiagramja

9 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

10  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:

11 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

12  Hőmérséklet  Hűtés: hűtővíz bevezetése a köpenybe / tartályba nyúló csőbe  Fűtés: ugyanez, vagy a tartály közvetlen fűtése  Alapjel: °C ± 1°C  Válasz: 1 °C/perc-nél nagyobb Szabályozás eszközei

13  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

14 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)

15  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

16  Nyomás növelése  Nagy oxigénátadáshoz  Scale down kísérletekben a hidrosztatikus nyomás szimulálása  Pontos és gyors szabályozás  pH  Szabályozás: pufferadagolás a médiumhoz (savas és lúgos is)

17 pH szabályozás

18 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

19 DO szabályozás egyik lehetősége

20 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

21  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

22 Fermentor szabályozásának általános elemei

23 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

24 Információáramlás fermentációs szabályozó rendszerekben

25 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.

26 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

27 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

28 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

29 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

30 Fejlettebb szabályozási beállítások

31 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.

32 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

33 Igény  Egy rendszer sokszor többet megkövetel mint fix alapjelek beállítása  Ezért olyan mechanizmus biztosítása, a fix alapjeles szabályozási rezsimen túl eseményeket tud meghatározni

34 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

35 Egy tipikus fermentációs szabályozási profil Növekedési fázisok: lag, gyorsuló növekedési, exponenciális, lassuló növekedő, stacioner, hanyatló, leállítás/termékkinyerés

36 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)

37 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

38 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

39 Példa

40 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

41 Példa

42 Fejlettebb számítógépes rendszerek  Tudás alapú rendszer  Mesterséges ideghálózat  Genetikai algoritmus

43 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

44 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

45 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

46 Köszönjük a figyelmet!

47 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!


Letölteni ppt "Folyamatirányítás fermentációknál Gál Boglárka Bartók Gábor Máté."

Hasonló előadás


Google Hirdetések