0 引言

自動(dòng)化和信息化技術(shù)的廣泛應用已經(jīng)成為當今社會(huì )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(gè)重要分支，也在積極應用和探索自動(dòng)化信息技術(shù)在生產(chǎn)制造過(guò)程中發(fā)揮作用。本文將重點(diǎn)探討發(fā)酵行業(yè)自動(dòng)化信息技術(shù)的最新應用及展望，希望通過(guò)對該領(lǐng)域的深入研究，為推動(dòng)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(dòng)化的應用。發(fā)酵工藝是發(fā)酵行業(yè)的核心環(huán)節，而發(fā)酵工藝自動(dòng)化技術(shù)的應用則是當前發(fā)酵行業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在傳統的發(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(wú)法得到保證。隨著(zhù)我們老齡化的趨勢，從事一線(xiàn)的操作員工越來(lái)越少，就要求我們向自動(dòng)化方向轉型，盡可能減少操作人員的投入。同時(shí)隨著(zhù)現代自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)酵工藝的自動(dòng)化應用也得到了迅速推廣和應用。目前我們的發(fā)酵發(fā)展主要是對一個(gè)大眾化的產(chǎn)品高量產(chǎn)，以及一些高價(jià)值的小眾產(chǎn)品的精細控制兩個(gè)方向發(fā)展。

1.1 發(fā)酵基礎料自動(dòng)配料

在傳統大發(fā)酵的配料階段，往往是需要投入大量的人力來(lái)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(dòng)化配料裝置，通過(guò)自動(dòng)化系統與機械設備相結合，對大噸位或者袋裝的原料進(jìn)行轉運，然后機械破袋、下料，同時(shí)自動(dòng)加入其他固體料和液體料來(lái)實(shí)現基礎料的自動(dòng)化轉運和配置。這樣可以減少該工段的工人數量以及勞動(dòng)強度，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(dòng)葫蘆-自動(dòng)拆包機-料倉-配料罐，對用袋包物料采用袋包-AGV轉運-機械手臂-傳送帶-自動(dòng)拆包機-料倉-配料罐，在轉運過(guò)程中通過(guò)自動(dòng)化系統的控制和掃碼設備的配合物料的追蹤和數據收集。

1.2 發(fā)酵自動(dòng)消毒及清洗

目前行業(yè)內已經(jīng)由原來(lái)的人工消毒，逐步轉到一鍵空消、一鍵實(shí)消。原來(lái)的老消毒工逐漸由鍵空消、一鍵實(shí)消控制代替，減低了人員的勞動(dòng)強度、減少了消毒人員的投入和企業(yè)的風(fēng)險性。自動(dòng)升溫過(guò)程自動(dòng)化控制，其穩定性遠遠超過(guò)手動(dòng)消毒，可以實(shí)現溫度平穩上升，保壓階段溫度壓力曲線(xiàn)近乎直線(xiàn)，維持過(guò)程自動(dòng)化能有效減少人為失誤或人為誤差導致的批次間不穩定、升溫時(shí)間、維持時(shí)間不一致等現象。但是一鍵空消、一鍵實(shí)消往往會(huì )帶來(lái)大量的能源消耗，同時(shí)由于局部熱量會(huì )對培養基營(yíng)養破壞，它并不是最理想的，目前逐步上智能連續滅菌裝置來(lái)進(jìn)行發(fā)酵消毒。

1.2.1 智能連續滅菌裝置

智能連續滅菌裝置提高了消毒的穩定性，減少能源損耗、降低培養基營(yíng)養破壞，智能連續滅菌裝置要由連續進(jìn)料單元、換熱單元、控制單元組成，具備以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1）提升產(chǎn)能：智能連續滅菌裝置有利于提高設備周轉率，提高整體生產(chǎn)效率。在發(fā)酵罐實(shí)消過(guò)程中發(fā)酵罐占用時(shí)間包含物料從配料罐進(jìn)罐時(shí)間、發(fā)酵罐升溫時(shí)間、實(shí)消維持時(shí)間、實(shí)消降溫時(shí)間。采用連續滅菌工藝，進(jìn)料時(shí)間與發(fā)酵罐實(shí)消物料從配料罐進(jìn)罐時(shí)間近似，連續滅菌時(shí)空消發(fā)酵罐所用時(shí)間與實(shí)消維持時(shí)間近似相等，相對于實(shí)消，減少了物料在發(fā)酵罐實(shí)消過(guò)程中的升溫+降溫時(shí)間。且實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)消前也可能空消發(fā)酵罐，罐占用周期更長(cháng)。

(2）無(wú)菌性及穩定性：一鍵式連消水消通過(guò)控制水的流速和溫度，整個(gè)熱水循環(huán)滅菌過(guò)程相比蒸汽滅菌對管道閥門(mén)的沖擊緩和，另外對設備及管道死角、結疤部位能做到更徹底的滅菌效果，保證生產(chǎn)過(guò)程中物料的無(wú)菌性。

(3）營(yíng)養成分破壞少：傳統車(chē)間手動(dòng)操作和實(shí)消過(guò)程保溫時(shí)間長(cháng)且滅菌溫度波動(dòng)大，對培養基營(yíng)養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)生反應生成的蛋白糖等對微生物的生長(cháng)不利。自動(dòng)化車(chē)間采用一鍵式連消，滅菌時(shí)間短，培養基營(yíng)養成分破壞小，且對于有特殊要求的物料可以采用同設備分消的方式，保護培養基營(yíng)養成分、提高發(fā)酵產(chǎn)物量。

(4）節能降耗：發(fā)酵車(chē)間的蒸汽節約主要措施是采用連續滅菌裝置和余熱回收方式。自動(dòng)化車(chē)間可對發(fā)酵罐和種子罐的空消實(shí)消過(guò)程消毒排汽和小排汽進(jìn)行收集，真正達到能源的重復利用。發(fā)酵車(chē)間的循環(huán)水節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，可節省發(fā)酵罐實(shí)消后降溫的循環(huán)水。發(fā)酵車(chē)間采用連消工藝節約的電能主要有兩方面，一方面是節省的循環(huán)水需要泵輸送到發(fā)酵車(chē)間，節約了泵輸送所需的電能；另一方面是設備周轉率提高后減少了罐攪拌開(kāi)啟時(shí)間，節約了罐攪拌開(kāi)啟所需電能。

(5）近零排放：自動(dòng)化車(chē)間采用全封閉式連消工藝，消毒過(guò)程中，減少消毒排氣，減少車(chē)間周?chē)具^(guò)程異味的排出。自動(dòng)化車(chē)間所有的小排汽進(jìn)行收集，無(wú)消毒排氣排放，降低車(chē)間消毒過(guò)程中的噪音，保證生產(chǎn)車(chē)間溫濕度。

1.2.2 CIP清洗系統

發(fā)酵罐的清洗也逐步引入了CIP清洗系統，通過(guò)控制噴淋球在罐內軌道的移動(dòng)，噴淋球實(shí)現360度無(wú)死角清洗。具有以下優(yōu)點(diǎn)：節約操作時(shí)間，提高工作效率；清洗結果高度一致性、可重復性；工人勞動(dòng)強度更低，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(guò)程控制

自動(dòng)控制系統能夠實(shí)時(shí)監測生產(chǎn)過(guò)程中的各項參數，通過(guò)調節溫度、壓力、pH值等關(guān)鍵指標，使發(fā)酵過(guò)程能夠更加穩定和高效。同時(shí)，自動(dòng)化技術(shù)還可以實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)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(guò)程不斷的優(yōu)化工藝控制、引入新的系統和傳感器來(lái)提高整個(gè)發(fā)酵自動(dòng)化水平。

1.3.1 一鍵式控制

傳統車(chē)間采用手動(dòng)操作，新員工入職需要經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間培訓、操作工序復雜，至少經(jīng)過(guò)半年時(shí)間培訓，才能獨立上崗操作。自動(dòng)化車(chē)間采用一鍵式空消、連消、實(shí)消、補料、倒種、放料，員工只需在操作站點(diǎn)擊空消、連消、實(shí)消、補料等工藝段按鈕，現場(chǎng)所有閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，操作簡(jiǎn)單。自動(dòng)化車(chē)間發(fā)酵過(guò)程中，工藝參數控制穩定、控制精度高，如實(shí)消溫度、保溫時(shí)間、發(fā)酵溫度、發(fā)酵罐罐壓、進(jìn)氣流量等過(guò)程參數。批與批之間工藝參數控制穩定，保證批次之間質(zhì)量一致性。

1.3.2 補料控制

發(fā)酵補料生產(chǎn)過(guò)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(cháng)和代謝，還能幫助維持發(fā)酵液的穩定性和防止泡沫的產(chǎn)生。在許多工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中，補料操作對于產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)量都有著(zhù)決定性的影響。

目前國內的發(fā)酵過(guò)程補料控制主要有流加補料和間歇補料。（1）流加補料：補料管路上設有一臺自動(dòng)閥門(mén)和一臺流量計或稱(chēng)重，設定要求的補料速率、補料預置總量、補料周期等參數，系統啟動(dòng)后按照設定補料速率開(kāi)始補料，待補料總量達到預置總量后補料結束。（2）間歇補料：補料系統采用補料杯，設定好補料速率，預置總量，系統啟動(dòng)后按照設定補料速率開(kāi)始補料，待補料總量達到預置總量后補料結束。流加補料采用先進(jìn)的流量計具備更高精度地控制補料量，達到生產(chǎn)要求。

通過(guò)補料控制預制清單與控制相結合更能很好地提高補料的準確度和及時(shí)性。這樣減少了人為因素，讓生產(chǎn)具備更多確定性和統一性。補料控制預制清單是根據大數據分析進(jìn)行比對，得出每個(gè)階段各個(gè)物料補充量和速率等參數，這樣能讓生產(chǎn)過(guò)程更加標準化。

1.4 先進(jìn)控制系統和傳感器的應用

1.4.1 先進(jìn)順控和Batch控制

隨著(zhù)國內外控制系統的功能完善和技術(shù)的逐漸成熟，我們要在復雜和關(guān)鍵的控制中引入順序控制，明確每一步的判斷條件和準備狀態(tài)，執行明確的指令，減少系統出現不必要的連鎖；好的順控更能結合人的控制思路完成控制任務(wù)，這樣就會(huì )讓整個(gè)控制系統更加精確。減少了系統中非必要功能塊的應用，可以讓系統瘦身，讓系統更好、更穩定的運行。

逐步引入BATCH處理控制系統，采用符合ISA S88.01標準的柔性批控制軟件，他可以制定不同的配方生產(chǎn)多品種產(chǎn)品。每一個(gè)配方都會(huì )有他獨特的參數配置和工藝生產(chǎn)路線(xiàn)，這樣就是將來(lái)發(fā)酵多功能車(chē)間的一個(gè)方向。對整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中所有的批次相關(guān)數據、報警及時(shí)間進(jìn)行采集記錄，為后期MES和ERP等系統預留了軟件接口，為整個(gè)車(chē)間的信息化打下了基礎，對后期的數據分析也起到了至關(guān)重要的作用。

1.4.2 先進(jìn)在線(xiàn)儀表

先進(jìn)的自動(dòng)化控制離不開(kāi)先進(jìn)的檢測儀表，目前發(fā)酵的常規參數都可以實(shí)現在線(xiàn)檢測，但是一些關(guān)鍵參數還是無(wú)法通過(guò)在線(xiàn)檢測實(shí)現。目前逐步引入在線(xiàn)的紅外光譜儀在線(xiàn)檢測發(fā)酵的關(guān)鍵參數得到了很好的試用。他可以在線(xiàn)對發(fā)酵液的成分進(jìn)行分析比對，更好地指導生產(chǎn)系統進(jìn)行相關(guān)自動(dòng)化控制，實(shí)現全在線(xiàn)檢測功能，會(huì )減少發(fā)酵過(guò)程中取樣的風(fēng)險，提高生產(chǎn)水平。

1.4.3 計算機驗證

計算機驗證可以幫助用戶(hù)對整個(gè)系統的風(fēng)險性、功能性、質(zhì)量等多方面進(jìn)行測試，最終達到用戶(hù)需求。計算機驗證是可根據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(dòng)化控制系統進(jìn)行全方位的驗證。計算機驗證在發(fā)酵生產(chǎn)中的應用已經(jīng)取得了顯著(zhù)的成果，并將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用，以進(jìn)一步保證系統的穩定性，同時(shí)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)的應用

隨著(zhù)人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能制造已經(jīng)成為當今制造業(yè)的新趨勢，在發(fā)酵行業(yè)中同樣有著(zhù)廣泛的應用前景。在傳統的發(fā)酵生產(chǎn)中，大多數企業(yè)人力來(lái)實(shí)現生產(chǎn)，通過(guò)引入智能制造技術(shù)，增加生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化設備可以實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的智能化。通過(guò)物料管理和追蹤實(shí)現對生產(chǎn)計劃的落實(shí),庫存的管理，并通過(guò)建立數據模型、優(yōu)化生產(chǎn)計劃、預測質(zhì)量異常等方法，實(shí)現發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程的智能化和高效化。

2.1 供應鏈管理

信息化技術(shù)可以促進(jìn)傳統發(fā)酵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同和供應鏈管理。通過(guò)建立云平臺和數據共享機制，企業(yè)可以實(shí)現整個(gè)廠(chǎng)區供應鏈實(shí)時(shí)數據監控，并進(jìn)行生產(chǎn)決策，提高整個(gè)供應鏈的效率和靈活性。同時(shí)，利用大數據分析和智能算法，可以對供應鏈進(jìn)行優(yōu)化和預測，實(shí)現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

傳統發(fā)酵行業(yè)通過(guò)信息化技術(shù)可以實(shí)現生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。通過(guò)監測關(guān)鍵參數如溫度、濕度、pH值等，實(shí)時(shí)控制發(fā)酵過(guò)程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，結合數據分析和人工智能技術(shù)，可以進(jìn)行生產(chǎn)數據的挖掘和分析，發(fā)現生產(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)，傳統發(fā)酵行業(yè)可以實(shí)現對產(chǎn)品質(zhì)量的全鏈路控制和追溯。通過(guò)將傳感器、監測設備等與信息系統連接，實(shí)時(shí)監測和記錄各個(gè)環(huán)節的數據，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合標準要求。同時(shí)，通過(guò)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(guò)程，從而提高產(chǎn)品安全性和信譽(yù)度。

2.4 能源管理和節能減排

信息化技術(shù)可以幫助傳統發(fā)酵行業(yè)實(shí)現能源的有效管理和節能減排。發(fā)酵環(huán)節的主要設備為發(fā)酵罐和種子罐，以及原料（培養基）調制、蒸煮、滅菌、冷卻、通氣調節、除菌、攪拌等附屬設備。發(fā)酵周期長(cháng)，涉及的工藝和附屬設備功率大、能耗高，因此，是發(fā)酵類(lèi)制藥工業(yè)能源消耗最大的工藝環(huán)節。通過(guò)實(shí)施發(fā)酵動(dòng)力系統和能量系統的優(yōu)化，采用新型發(fā)酵攪拌器，以及大功率設備的變頻改造等措施，可達到節能效果。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(shí)消過(guò)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(guò)程罐體冷卻用的冷卻水，可以通過(guò)回收系統的改造加以循環(huán)利用。提高發(fā)酵過(guò)程自動(dòng)化控制信息化管理，減少人員成本和人為干預，避免人為因素造成生產(chǎn)過(guò)程中出現的能源浪費，保證生產(chǎn)過(guò)程的穩定性。通過(guò)監測能源使用情況、優(yōu)化設備運行參數，以及精確計量能源消耗，可以實(shí)現能源的合理配置和減少能源浪費。此外，結合數據分析和智能控制算法，可以提供節能減排方面的決策支持，進(jìn)一步降低環(huán)境污染。

3 大數據分析在發(fā)酵行業(yè)的應用

大數據技術(shù)的應用已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)，而在發(fā)酵行業(yè)中也有著(zhù)廣泛的應用前景。通過(guò)對生產(chǎn)過(guò)程中的各項指標進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和數據采集，可以建立起完整的數據集，為后續的大數據分析提供了基礎。通過(guò)大數據分析技術(shù)，可以從海量數據中挖掘出有價(jià)值的信息，并通過(guò)建立數據模型、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(shí)現發(fā)酵行業(yè)的可持續發(fā)展。

傳統發(fā)酵車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程參數及批次記錄，都是人工手抄在紙上，無(wú)法保證過(guò)程參數的真實(shí)性及可靠性。自動(dòng)化車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程參數，都是通過(guò)儀表采集，自動(dòng)傳輸進(jìn)入控制系統，存儲在操作站中，保證數據的可靠性及可追溯性。自動(dòng)化過(guò)程采集數據，形成工藝大數據，為后期進(jìn)行工藝改進(jìn)提供數據依據。

在發(fā)酵過(guò)程中對每個(gè)批次的數據進(jìn)行收集，然后對每個(gè)批次的關(guān)鍵數據溫度、壓力、流量進(jìn)行比對，然后研究出關(guān)鍵的參數點(diǎn)以及參數的控制值，最后以研究結果指導自動(dòng)化控制系統的控制，來(lái)實(shí)現產(chǎn)能的更大化，產(chǎn)品的收率更高。通過(guò)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)人員可以根據這些參數分析菌種生長(cháng)情況，做出相應的工藝調整，以達到更高的產(chǎn)量。對于能源數據的使用也可以形成對比，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，調整能源供應方式，減少能源的投入成本。

大數據可以監測設備狀態(tài)和生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況，及時(shí)發(fā)現故障并進(jìn)行診斷。通過(guò)智能算法和專(zhuān)家系統，可以預測設備的壽命和維護需求，提前采取修復或更換措施，避免生產(chǎn)中斷和損失。

4 發(fā)展趨勢展望

展望未來(lái)，隨著(zhù)自動(dòng)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(lái)更大的發(fā)展空間。未來(lái)，發(fā)酵工藝自動(dòng)化將會(huì )更加智能化和精細化，同時(shí)大數據分析和人工智能技術(shù)的應用也將會(huì )得到更加廣泛的推廣。這些新技術(shù)的應用將極大地提高發(fā)酵行業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也將推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向著(zhù)數字化轉型的方向邁進(jìn)。

5 結語(yǔ)

發(fā)酵行業(yè)自動(dòng)化信息化技術(shù)的應用已經(jīng)成為發(fā)酵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而未來(lái)的發(fā)展空間也將更加廣闊。通過(guò)本文的深入探討，希望可以為推動(dòng)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的發(fā)展。