発酵プロセスの計測制御システム(第一報)
Jnslyumenl.cLtion

clndControlSysl.em

forFermenTc[ThnProcess(Ⅰ)

技術開発本部

栗林

Hiroaki

掘Makoto

A

4P

in

trend

fermentation

controlsystemsystemfnnctioned

weretechniquecontrol

described.

Experimental

results

characteristics
showed

of

that

our宜

口
Horiguchi

ourDO‑statcorrectly.

発酵プロセスの制御技術の動向と,当社で製作した発酵し,高度な制御を実行するコンピュータが手軽に利用できプロセスの制御システムの特性について述べる｡我々のDるようになって,高度なプロセス制御の研究開発が多方面O定値制御システムが設計通りに機能することが,実験結で進められるようになった｡

果で明らかとなった｡

3.計測制御システム

ま1.

えがき

生産の効率化,省力化,安全性の向上を目的とした高度なプロセス制御s/ステムは,一般化学工業ではすでに導入されているが,発酵工業ではあまり例を見ない｡しかしな
がら最近になって,数eの発酵槽の規模ではあるが,予測制御や多変数制御,さらには最適化制御といった高度なプロセス制御が,研究されはじめた1),2)｡
近い将来,実装置規模の発酵プラントにも高度制御シス

工業的レベルで使用されている化学的環境因子測定用のORP計測器としては,(酸化還元電位)pⅢ計, DO計,計,及び酸素計,炭酸ガス計(ともに排ガス計測用)等がある｡物理的環境因子測定用の計測器には,温度計,圧力計,撹拝消費動力計,回転計,流量計,液面計等がある3)0
第1図に,当社がパイロットプランl‑として設計した通気撹拝槽式発酵槽の制御システムを示した4)o

このシステテムが導入されるものとして,当社においても発酵プロセ

ムにおいては,入力信号の読取り,演算,プロセス制御,データ集積,モニタリング,アラーミングの各作業をコンス制御技術の開発を進めている｡本稿では,第一報として(溶存酸素)の建値制御実験結果
定値制御システムとDOるが,制御対象はpH,を紹介する｡々の操作端は次の通りである｡

2.発帯プロセス制御の現状ピュータが実行する｡計測対象は第1国に示した通りであpB

発酵プロセスは,雑菌による汚染を嫌うこと,長時間の培養中には突然変異により微生物に生理的な変質が起こり得ること,さらには生産方式が多品種少量生産方式である
こと等の理由紅より,回分式もしくは半回分式(流加式)､′theand明宏

Kuribayashi

で運転されることが多い｡これらの運転方式によれば発酵槽内は,微生物の濃度や微生物の代;射的特性,さらには基:pⅢ中和剤弁:空気弁と抜群磯モ‑メ
温度:冷却水弁
泡面:消油剤弁
kLa
RQ
また演算項目は,(酸素移動容量係数),(菌体による酸素消費速度)である｡これ吸商), Qo2･Ⅹ呈する｡

表示される｡

れる｡

1)微生物による生化学反応が複稚であるため,その機構が明らかでない｡
2)生化学反応機構が未解明なため,当然ながらその制御機構も末確立である｡
3)発酵槽内で使用するセンサーには,装置及び培地を高温で殺菌するため耐熱性が要求される｡このため槽CRT(Cathodeゥェア構成を示した｡泡検知器以外の計測器はすべてアナログ量で作動しており,それらの信号ほまず電流電圧変換処理を受け,次にアナログ･デジグ)I/変換処理を受けて拡Processing
Unit
張バスに乗る｡
CPU(Central処理装置)では各々の制御アルゴリズムに従って測定デ‑デジタル信号のままでリレー回路に入り,No.

2(1984/6):中央

クが演算されて,各制御対象に応じた操作量が決定され出

しかし最近になって,高性能なpH計やDO計等が開発

28Tube)にサを使用しているが,コンピュータからの信号により弁を開閉させて老宣菌を自動的に行うことも可能である｡
第2図に,パイロットプラン†の制御システムのハ‑ド力される｡

Vol.

Ray

当システムでは装置及び培地を殺菌するためにシーケン内の環境因子を計測する手段が限定される｡
4 )発酵液中の代謝物を直接検出する手段が少ない｡
され,また制御アルゴリズムに従って限られた情報を処理(秤らの計測値や演算値は,培養状況を監視するために経時変化図としてまとめられ,テムの導入例が少ない理由として,次のような事が考えら,ji].面である｡各DO

質洩度や代謝物摸度等が時々刻々と変化する非定常状態をこのようなプロセスに対して,エ業的規模では主な環境因子の定値制御が一般的であるo高度なプロセス制御シス

DO,培養温度,撹拝機回転数変更用のインバータ‑の出力信号以外は,空気弁等の操作端を作動させる｡

神鋼ファウドラー技報

pH中和剤弁や:tt)

ComptLti,rl

I‑Ill‑‑‑‑

Data･

FRA

暦

ir02

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1)H.

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At11･f[oTr rate,.

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A.qtlt(め) T

ORP,Pi′l′,AElr

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Subslra[eTemp,NE

OFF gasreadDO,pII,
02, COB,∫･Ca/cu/a(eENeu[7tJtpz如alJen[kLa,RQ,

Dalolog1)IIβ0･()nEl(pr･･

Prl‑nt (,TLQ.I)ヱ･i,

Alarm

FermenterI

LhoL吻waler

B r() t/〜

第1図
Fig.

発酵7oロセスの制御システム
1A

schematic

diagramof fermentation

controlsystem

D ig tltL, I/.471(I logcon

たので,以下に概要を述べる｡
DO制御は,微生物へのDO阻害を回避しInL･erLer

発酵1収率を高めること,及び発酵槽の通気･(ror Agi(aEFl･)I/'erter撹拝VL要する運転費を軽減させること,さらケこは省力化を目的として行われるoPat.OllE,/

OLI(pTL1

a9enh･alヱle･＼rE,lL!和Jiztln.,IAir
i.altleRt,I(Lヽ･7Z10dule

Cooli也ク≠･ater

I,alveDeF.,a,m''nga9enlvalve

通気撹拝式発酵槽におけるDOは次式に従う5)｡‑･･･(1)
普‑kLa(C*‑C)‑Qo2･Ⅹ
ここでCUPpF[meEぐr1)Om(,EeT

二+Analog/Digtlt'LI

R/r

02

:酸素移動容量係数

1/br

C*:培地中の酸素飽和i箕度:クの酸素潰度

mgO2/e:菌体の比呼吸速度

mgO2

C

TeuLPPrature
ORP

kLa

nleterQo2

meter

mgO乏/e/gcell

meterCOnrer一

conTerler[L,rCOP･I
brme(erAir

I/otLlrate

A[7ilu[[l()Pow(,r†且eEer

spぐed me[er(7terX:菌体量gcell/どt:時間

brQo2･Ⅹが増減する系においてDO,すな
わち(1)式ではCを一定に保つ(即ち,左辺‑kLaを変化させねはな0となる)ためには,
ParallelInput
F()amらない.しかしこのkLaは通気量と投拝磯回

deEecEer

modTLle転数の関数であり,DOを建値制御するためには,この2変数を制御することが必要とな
Tt‑merる｡但し各培養系にはそれぞれに固有のある幅を持った最適な通気撹拝条件が存在してお7ROd EL/eり,その範囲内で制御する必要がある｡
第3図に,DOの定値制御プログラムのフ+第2園
Fig.

4.

ハードウェア構成2Computerconfiguration

を以下に説明するoDOの定値制御システム
制御機構がS/ンプ)I,で取扱いが容易なD制御フロ‑の概略

ローチャ‑トを示した6)o

O定値制御システムを製作し,実培養系でその制御機能の確認実験を行っ

1)目標DO値,通気量,撹拝機回転数の変更方法,変更幅,上下限値,運転初期値,データ集録間隔,待ち

神鋼ファウドラ‑技報

Vol.

28

No.

2

(1984/6)

適な通気髭拝条件に精通した上で,この部分STARTの制御プログラムを設計する必要がある｡
D()

Define desired(1)

operaling

通気髭拝条件の基本的な変更方法むこは次のand

3通りの方法があるが,変更幅も考慮してこれらを単考虫もしくは組合せて使用し,最適なcomliliollSDOの定値制御プログラムを組立てることになる｡
(2)

Read

(3)

Displaydata1)通気量は一定とし,撹拝機回転数を変更する｡

data2)通気量と回転数とを交互に変更する｡
3)回転数は一定とし,通気量を変更する｡
Log9ing

く4)Datalog

YESlo

5.

‑･→

f'loppy disc

DOの定値制御実験結果

前項で説明したDOの売値制御システムの機能を確認するため,100β発酵槽を用い,第No

1表むこ示したグ)I,コン酸発酵系でDOの定値
DO.Stal(5)制御実験を行った｡

YES

DOの定値制御結果を第4園に示した｡図d

No

A碑w
a rには対照として,DOを制御しない場合のDOの経時変化も併せて示した｡
DO定値制御した場合でも,培養開始後10時間前後まで

TtZle

は菌体の酸素子肖費速度が小さかっため,発酵槽DOを目標DO値の2mgO2/eむこ制御できrate
rev‑ObLLkrnなかった｡しかしこれ以後は,目標値の±(6)ChangeChan.qeair

0. 5 mgO2/e以下の範囲内VL制御できた.この制御精度は,従来の研究例6)に見られる制御精度とほほ同程度のものである｡

JlgiEaEioTI SP(,,edflow rate

これに対してDOを定値制御しない場合には,培養20時間前後までの培地は酸素飽和状
(7)

lVait

態を示し,そしてこれ以後に急激なDOの減少が始まったo

第3園
Fig.

DO定値制御プログラムのフローチャート
3A

flowchart

50時間以後VLなるとDOは1mgO2/eを切り,ついには酸素不足に至った｡
なお,この場合の通気撹拝条件は,通気量:80Ne/min,撹拝磯回転数:200rpmであったofor DO･Stat

時間(詳細は後述する)等の操作条件をインプット♂

第1表

し,運転を開始する｡
2) DO計,空気流量計,撹拝機回転計等の計測器から測定値を読込む｡
Qo2･Ⅹ等の3)各測定値や目標DO値,さらにはkLa,演算値をCRTに表示する｡
録する｡

5)目標DO値と測定DO値を比較し,通気撹拝条件の変更の必要性を判断する｡
し,目標値と測定値との偏差に応じた操作量を決定し各操作端を作動させる｡
DO計の応答遅れを2)‑7)の動作をくり返し実行し,時々刻々FL̲変化するDOを建値制御する｡
上記の制御フローの申で最も重要な動作は6)の通気撹拝
条件の変更動作であるoそのため,各培養系Ft̲固有の最No.

2(1984/6)

methodfermentationof gluconic

acid

IFO

No.

Stra in
Aspergi11us

niger

MgSO450 g/β
1ク

7H20

KH2PO41//

CH含COONH41〟

Type

methodBatchof process

Mediu工nβ70

VOlume

5.8

ptI
Temp.

30oC
flov

Agitation

Nβ/minrate

IOノ‑80speed

ユoo′‑300 rpm
agerltptl neutralizing

2. 5N‑Na2CO3

Defoaming

agent1%Fermenter

capaclty

100

神鋼ファウドラ‑技報4414

composition

Gl lユCOSe

Air

補正するために一定時間待機する.

28TheCulti▼ation6)通気量と撹拝機回転数のどちらを変更するかを判断

Vol.

IMedium4)一定時間毎むこフロッピーディスクに運転データを集

7)酸素が培地へ溶解する時間と,グルコン酸発酵挨作条件

T?ble.

soln. of Silicone･KM70
e (see photo. 1)

DOoconlrolfree

トを用い,無菌保持技術や,シーケンサによる自動殺菌技術,さらには雑菌汚染判定技術等に関する実験を行い･エ●coIIけol

Oooooンジニア.)ング資料として整理しつつあるについても,別稿で報告する予定であるoO
Oo6}

5

ヽ･･ヽ

.これらの詳細〔参考文献〕

亡勺QQlVol.

1)吉田敏臣‥ケミカ)V,エンジニヤリング･

.邑

22,

No.

6

(1983), p. 19.

Qq̲̲̲̲̲̲‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑o‑‑‑‑‑‑‑I●●●●●●●●●‑●●●●●●●●●S.

3) Aiba̲̲̲̲̲̲J̲I‑‑‑‑‑‑‑‑●‑‑‑‑‑‑I‑‑一￣I￣￣￣R￣

Tokyo
3り2()

1uFig.

tiErLeThe

result of DO･statal. : BiocbemicaletPress
H･(1973) Univ.

of(永谷正治訳)

Y･etall: Bioteclmol･Bioeng･,

Vol･(1977)I1969.

5)合葉修一ほか‥生物化学工学,
6) Takuo Yan° et al∴ J･ Ferment･

cultivatiotl

6 (1983), p.43･

No･Engineering,(brて.

DOの定値制御結果
44) Wang,P.

cultlLl(,tio71

第4園6し)5し)

4り22,2)岸本通雅ほか:計測と緋凱Vol･(1981), p.

(1975)･科学技術社
Technol･,

Vol･

59･ No･4295･

本実験では発酵収率等の検討を行うには至らなかったが,少なくとも前項で述べたDOの建値制御システムが設計通りに機能することが判明した｡
す6.むヽ

びJ/

今までに述べてきたように,発酵プロセスの最適な制御システムを設計するには,発酵槽の持つ通気･撹拝･混合に関する特性と,微生物の物理的生化学的特性･さらには計測制御理論を十分に把握し･これら三者を有機的かつ高精度に結合させることが必要であるo
本稿においては,上記の設計方法に基き設計製作した発酵プロセスの定値制御システムと･これを用いて行ったDOの建値制御実験結果を紹介したo
なお当社はこの他に,写真1に示したパイロッヤフoラン＼ノ

写真1発酵パイロットプラント(容量100β)ph.to.

1Pilotplantfor fermentation(Cap･100e)

神鋼ファウドラ‑技報vol.

28

No.

2

(1984/6)