隨著生物基因技術(shù)的發(fā)展，生物基因工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生活中越來(lái)越重要?；蛑扑幾鳛橐环N高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也得到了蓬勃的發(fā)展?；蛑扑庍^(guò)程中通常涉及到發(fā)酵、酸水解、酶水解和分離與純化等一系列工藝過(guò)程。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中涉及到產(chǎn)品制備與檢測(cè)、質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢定三個(gè)互相耦合的復(fù)雜操作工藝環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)基因?qū)⑦@三個(gè)工藝操作分解成多個(gè)單獨(dú)的操作過(guò)程，能滿足單個(gè)控制的精度要求，不能實(shí)現(xiàn)綜合質(zhì)控要求。

    本文針對(duì)基因功能亞功能片段的制備過(guò)程中涉及到的工藝環(huán)節(jié)，將制備過(guò)程中用的各種型號(hào)的高效液相色譜儀、酶標(biāo)定儀、毛細(xì)管電泳儀等分析檢測(cè)儀器的接口通過(guò)串行通訊與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中各工藝參數(shù)的監(jiān)控，在保證各單點(diǎn)精度要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，為肽的分析檢測(cè)提供新的有效手段并提高綜合質(zhì)控分析精度要求。同時(shí)將每次生產(chǎn)過(guò)程中各工業(yè)環(huán)節(jié)的條件參數(shù)、測(cè)試分析結(jié)果等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，為后續(xù)開(kāi)發(fā)中的專家系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步提高綜合質(zhì)控要求。

1  純凈基因亞功能片段的制備過(guò)程的工藝研究

    功能基因亞功能片段是一種生物活性肽或多肽，通過(guò)L―天冬酰胺酶II基因工程菌生產(chǎn)甲狀旁腺素N端34肽。功能基因亞功能片段的生產(chǎn)工藝涉及到多個(gè)工藝環(huán)節(jié)；上游工藝環(huán)節(jié)為了滿足下游工藝環(huán)節(jié)的要求必須對(duì)當(dāng)前的生產(chǎn)狀態(tài)工藝流程，各個(gè)工藝過(guò)程和其中涉及到的分析、檢測(cè)、制備儀器如圖1所示。

    通過(guò)分析整個(gè)工藝過(guò)程發(fā)現(xiàn)，如果將各分析、檢測(cè)、制備儀器采集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵、水解、高效液相色譜制備過(guò)程中的參數(shù)，可以提高整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)量和質(zhì)量。

2   整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

    整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)控制部分的具體設(shè)計(jì)中，考慮到遠(yuǎn)端監(jiān)控的需要及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的需要，采用工控機(jī)和觸摸屏實(shí)現(xiàn)上述控制要求?，F(xiàn)場(chǎng)主機(jī)采用西門子S7-200系列的CPU222PLC，為實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏和上位機(jī)的通訊，擴(kuò)展一塊EM277，PLC與工控機(jī)和觸摸屏分別通過(guò)RS485和RS232 進(jìn)行通訊。

    通常情況下，高壓液相色譜儀等儀器通過(guò)串口RS232與工作站相連完成對(duì)各化學(xué)成分的檢測(cè)、分離，為了滿足配合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的要求，將各個(gè)分析儀器的串口線通過(guò)多串口卡與工控機(jī)相連，采用VC多線程編程實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)儀器的數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)等功能，利用SQL  Server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與管理級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，使管理級(jí)計(jì)算機(jī)通過(guò)分析各儀器設(shè)備的參數(shù)，更好的監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)和質(zhì)量控制。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3  軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包括發(fā)酵、水解PLC控制程序設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序的開(kāi)發(fā)。PLC實(shí)現(xiàn)各控制參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和常規(guī)控制任務(wù)，管理級(jí)計(jì)算機(jī)和PLC通過(guò)PPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，在基于Windows下的V3.2 STEP7軟件上進(jìn)行PLC程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試。

    管理級(jí)計(jì)算機(jī)軟件和儀器數(shù)據(jù)共享計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)基于WIN2000環(huán)境，以Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在管理級(jí)計(jì)算機(jī)軟件中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、流程顯示、實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史趨勢(shì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、報(bào)表打印、參數(shù)分析等功能。儀器數(shù)據(jù)共享計(jì)算機(jī)將串口傳上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取其中有價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，利用聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)與管理級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)共享。

3.1  發(fā)酵過(guò)程中的控制算法

    由于發(fā)酵過(guò)程的數(shù)學(xué)模型難以建立，無(wú)法根據(jù)其數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，通常情況下只能通過(guò)控制發(fā)酵過(guò)程中的外部環(huán)境變量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制。

(1)  溫度、攪拌速度控制

    發(fā)酵、水解液中的溫度通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水流量控制，考慮到發(fā)酵過(guò)程不同階段產(chǎn)生熱量的速度不同，過(guò)程模型參數(shù)變化較大，冷卻水流量與溫度關(guān)系無(wú)法精確測(cè)定，因此借鑒了自適應(yīng)控制思想，采用分段設(shè)定PID控制，具體做法是先根據(jù)發(fā)酵的不同階段，采用分段設(shè)定PID參數(shù)，再將各段參數(shù)固化于控制站內(nèi)。但是發(fā)酵過(guò)程有時(shí)溫差較大，易產(chǎn)生超調(diào)和積分飽和。故而，采用積分分離PID控制算法。

    設(shè)