pH值与温度智能控制系统在生物肥发酵中的应用

刘仲汇1  冯东1 冯德荣 1 周万里1 毕春元1 韩德强2  徐英普2  

1山东省科学院生物研究所, 生物传感器重点实验室（济南 250014）

2 山东百奥生物有限公司 （山东平原  253100）

摘要: 发展生物肥是实施农业可持续发展战略的重要举措。发酵是生物肥生产的关键工序。但目前绝大部分企业仍使用简单仪表检测，人工操作，生产波动大，质量不稳定。为此山东省科学院生物研究所研制了SBA-P1发酵在线pH温度智能控制系统。在山东百奥公司生物肥发酵使用过程中，通过该系统分析pH值的变化曲线，研究发酵规律，控制发酵周期，及时处理异常发酵；同时温度实现自动控制，为菌种的生长繁殖提供了稳定适宜的生长环境，提高了菌种的生长繁殖速度，缩短了发酵周期。因此，非常适合在生物肥生产企业中应用。

关键词:生物肥；发酵；智能控制 ；pH值；温度；

中图分类号: TP29　文献标识码: A 　文章编号:1002－6819 (2005) 08－0187－03

　生物肥是根据植物营养生理学和根际土壤微生态学原理,以多功能微生物活性菌为核心,以优质肥料型有机质为载体,采用生物发酵工程技术加工而成的高含菌量的生物制剂[1]。生物菌施入土壤后很快繁殖，形成菌群。这些菌群吞噬有害菌类，分解无机元素，变成作物可吸收利用的有用成分，起到解磷、解钾、固氮作用，具有增进土壤肥力，抑制病虫害，刺激和调控农作物生长，增加产量，改善品质，保护生态环境等功效[2]。 发展生物肥是改善环境 ,实施农业可持续发展战略的先决条件[3][4][5]。 国外对此非常重视，据报道，到20世纪末，欧洲的生物肥使用已达到农业用肥的45%～60％，美国则达到60%~70%[6][7]。近年来，国内在生物肥的研究开发和推广应用方面发展也非常迅速 。2002年 ,国家科技部“863”计划将“新型多功能肥料研究与开发”列为一个研究项目[8][9][10]。
　目前国内大部分生物肥企业还刚刚起步，设备简陋，经营粗放。特别是发酵工序问题较多。发酵是生物肥生产的关键环节。在发酵过程中需严格控制温度和pH值，才能使生物菌正常繁殖生长。但目前绝大部分企业都是使用简单仪表检测，人工控制，检测误差大，调控水平低，人为干扰因素多，造成生产率低，质量不稳定,迫切需要引入先进的计算机信息管理及自动控制技术。为此，山东省科学院生物研究所研制了SBA-P1发酵在线pH温度智能控制系统。
　山东百奥生物有限公司是专业生产生物菌肥的企业。原发酵罐上安装的是指针式温度检测仪表，pH值检测采用定时取样分析测定，工艺参数全部采用人工调节。前述生物肥生产企业所存在的问题在该企业表现地比较突出。2003年10月SBA-P1发酵在线pH温度智能控制系统在该公司投入运行。经过四个多月的连续运行，不但稳定了产品质量，还缩短了发酵周期，产生了明显的经济效益。

　１.温度智能控制系统的特点及总体结构

　１.1系统特点

1.1.1 该系统抓住温度和pH值这两个对微生物生长繁殖至关重要的环境因素进行自动控制，既解决实际问题，系统又不过于复杂，可靠性高，经济实用。
1.1.2为了解决生物肥发酵工业生产条件差，环境恶劣，人员素质相对较低，技术力量比较薄弱的现实，采用金属电极对发酵液的pH值进行在线检测。此种电极能够耐受130℃的高温灭菌，抗干扰能力强，坚固耐用，易于维护，非常适于工业发酵。
1.1.3发酵是一个具有严重的非线性和大滞后，同时兼有生物、化学、物理变化的复杂过程，无法建立精确的数学模型，因而不能采用普通的PID控制模式。故该系统采用仿人工智能控制策略，即在充分考虑非线性及大滞后、考虑现场环境的变化因素及操作者经验的基础上，建立一套模糊控制模式，从而保证发酵过程中pH值、温度的平稳，为生物菌的生长代谢提供稳定适宜的生长环境。
1.1.4利用该系统对pH值、温度连续记录及曲线显示，不但可以掌握发酵规律，及时发现处理异常发酵，还可以进一步研究改进发酵工艺；同时通过计算机数据管理对生产调度具有非常重要的指导意义。

1. 2系统构成

　该系统由传感器、执行器、发酵在线pH温度智能控制仪、工业计算机等部分组成。控制仪采用高性能单片计算机做主控制器，对pH值、温度进行实时在线检测及控制；采用人工智能控制策略，有效地克服工业发酵大罐pH值、温度变化的严重非线性和大滞后的影响。联机的计算机监控管理系统，完成对pH值、温度、发酵时间等数据的实时显示、存储记录、报表曲线查询、历史数据浏览、报警监视等功能。
　 ２ 应用结果
该系统自2003年10月在山东百奥生物有限公司投入运行以来，产生了明显的效果。
2.1 利用该系统在线实时监测pH　值的功能，通过连续记录pH值的变化曲线，可以了解生物菌生长繁殖的变化规律，用于指导生产。
2.1.1 通过分析pH值的变化曲线，控制发酵周期。以往该公司生产上控制发酵终点一般是采用取样分析，镜检观察来确定。由于顾及染菌及菌液损失等因素，不可能频繁取样。因而发酵终点的控制比较粗略，一般在25~30小时之间，并且经常出现生物菌老化的情况。安装该系统后，发现按以往经验结束发酵之前pH值曲线出现一个由低到高的变化拐点，这意味着生物菌已经进入衰减期，不再消耗底物，pH值开始上升，此时生长已经停止,并且随着时间推移开始死亡。因此应该将发酵终点时间控制在变化拐点之前。通过镜检也证明，在pH值由低到高变化之前结束发酵，生物菌的数量及生长情况都大大优于在变化拐点之后结束发酵，能够达到最佳效果，从而找到一种控制发酵终点简便有效的方法。
2.1.2根据记录的pH值变化曲线及发酵规律及时处理异常发酵。在2004年2月28日进行的第15批发酵中，发现接种后pH值比正常情况偏高，很快又发现这次pH值的变化规律一反常态，该升时降，该降时反而升。通过分析查找原因，发现是磷酸二氢钾原料有假，并及时采取补救措施，才使发酵正常进行。正常发酵pH值曲线见图1,异常发酵pH值曲线见图2。