Folyamatirányítás fermentációknál Gál Boglárka Bartók Gábor Máté

Folyamatirányítás szerepe Irányítás, befolyásolás Mikroorganizmusoknak kedvező körülmények biztosítása Biztonsági okok

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

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

Folyamatvezérlés, fermentáció lépései 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 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:

Szabályozás blokkdiagramja

Fermentáció blokkdiagramja

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 természetes tag Gyakori, rövid ideig tartó zavarásoknál a kilengést csökkenti PID szabályozóval gyors, finom szabályozás valósítható meg

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:

Szabályozók minősítése TF: felfutási idő TSZ: szabályozási idő a: maximális túllendülés m.e. : maradó eltérés xa,2: kívánt alapjel Csillapodás mértéke: c/b=1/2 (félamplitúdós) a cél

Szabályozás eszközei Hőmérséklet Hűtés: hűtővíz bevezetése a köpenybe / tartályba nyúló csőbe Fűtés: ugyanez, vagy a tartály közvetlen fűtése Alapjel: 20-50 °C ± 1°C Válasz: 1 °C/perc-nél nagyobb

Szabályozás eszközei 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

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)

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

pH szabályozás

Szabályozás eszközei 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

DO szabályozás egyik lehetősége

Szabályozás eszközei 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 Hab 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

Fermentor szabályozásának általános elemei

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

Információáramlás fermentációs szabályozó rendszerekben

Irányító rendszer tervezése, automatizálás Cél: Csak az alapvető funkciók szabályozása inkubáció során (hőmérséklet, keverés, levegőztetés) Automatikus inkubáció szabályozás, csak a sterilezéshez szükséges szelepek manuális szabályozása A fermentációs rendszer teljes automatizálása Fejlettebb inkubációs irányítórendszerek Fejlettebb számítógépes rendszerek Minél komplexebb a rendszer, annál részletesebb specifikációjú szabályozás kell.

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

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

Szabályozások automatizálása 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 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.

Fejlettebb szabályozási beállítások

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.

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

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

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

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

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)

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

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

Példa

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

Példa

Fejlettebb számítógépes rendszerek Tudás alapú rendszer Mesterséges ideghálózat Genetikai algoritmus

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

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

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

Köszönjük a figyelmet!

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!