0 引言

自动化和信息化技术的广泛应用已经成为当今社会发展的主要趋势之一，而发酵行业作为制药领域的一个重要分支，也在积极应用和探索自动化信息技术在生产制造过程中发挥作用。本文将重点探讨发酵行业自动化信息技术的最新应用及展望，希望通过对该领域的深入研究，为推动行业技术进步和产业升级提供一些新的思路和建议。

1 研究背景

发酵工艺自动化的应用。发酵工艺是发酵行业的核心环节，而发酵工艺自动化技术的应用则是当前发酵行业技术发展的一个重要方向。在传统的发酵生产中，往往需要大量的人力和物力投入，而且由于人为因素的干扰，产品的一致性和质量往往无法得到保证。随着我们老龄化的趋势，从事一线的操作员工越来越少，就要求我们向自动化方向转型，尽可能减少操作人员的投入。同时随着现代自动化技术的不断发展，发酵工艺的自动化应用也得到了迅速推广和应用。目前我们的发酵发展主要是对一个大众化的产品高量产，以及一些高价值的小众产品的精细控制两个方向发展。

1.1 发酵基础料自动配料

在传统大发酵的配料阶段，往往是需要投入大量的人力来进行发酵原料的搬运，例如成吨的玉米、袋装的物料等，然后投到配料罐然后再加那种固体和液体物料进行配置。目前在发酵配料阶段需要大力引进自动化配料装置，通过自动化系统与机械设备相结合，对大吨位或者袋装的原料进行转运，然后机械破袋、下料，同时自动加入其他固体料和液体料来实现基础料的自动化转运和配置。这样可以减少该工段的工人数量以及劳动强度，提高工作效率。目前对于不同的物料采用不同的方式，对用吨包物料采用吨包-电动葫芦-自动拆包机-料仓-配料罐，对用袋包物料采用袋包-AGV转运-机械手臂-传送带-自动拆包机-料仓-配料罐，在转运过程中通过自动化系统的控制和扫码设备的配合物料的追踪和数据收集。

1.2 发酵自动消毒及清洗

目前行业内已经由原来的人工消毒，逐步转到一键空消、一键实消。原来的老消毒工逐渐由键空消、一键实消控制代替，减低了人员的劳动强度、减少了消毒人员的投入和企业的风险性。自动升温过程自动化控制，其稳定性远远超过手动消毒，可以实现温度平稳上升，保压阶段温度压力曲线近乎直线，维持过程自动化能有效减少人为失误或人为误差导致的批次间不稳定、升温时间、维持时间不一致等现象。但是一键空消、一键实消往往会带来大量的能源消耗，同时由于局部热量会对培养基营养破坏，它并不是最理想的，目前逐步上智能连续灭菌装置来进行发酵消毒。

1.2.1 智能连续灭菌装置

智能连续灭菌装置提高了消毒的稳定性，减少能源损耗、降低培养基营养破坏，智能连续灭菌装置要由连续进料单元、换热单元、控制单元组成，具备以下几个特点。

(1）提升产能：智能连续灭菌装置有利于提高设备周转率，提高整体生产效率。在发酵罐实消过程中发酵罐占用时间包含物料从配料罐进罐时间、发酵罐升温时间、实消维持时间、实消降温时间。采用连续灭菌工艺，进料时间与发酵罐实消物料从配料罐进罐时间近似，连续灭菌时空消发酵罐所用时间与实消维持时间近似相等，相对于实消，减少了物料在发酵罐实消过程中的升温+降温时间。且实际生产中，实消前也可能空消发酵罐，罐占用周期更长。

(2）无菌性及稳定性：一键式连消水消通过控制水的流速和温度，整个热水循环灭菌过程相比蒸汽灭菌对管道阀门的冲击缓和，另外对设备及管道死角、结疤部位能做到更彻底的灭菌效果，保证生产过程中物料的无菌性。

(3）营养成分破坏少：传统车间手动操作和实消过程保温时间长且灭菌温度波动大，对培养基营养成分有一定的破坏影响，特别是糖和蛋白质量比较多的情况下，其发生反应生成的蛋白糖等对微生物的生长不利。自动化车间采用一键式连消，灭菌时间短，培养基营养成分破坏小，且对于有特殊要求的物料可以采用同设备分消的方式，保护培养基营养成分、提高发酵产物量。

(4）节能降耗：发酵车间的蒸汽节约主要措施是采用连续灭菌装置和余热回收方式。自动化车间可对发酵罐和种子罐的空消实消过程消毒排汽和小排汽进行收集，真正达到能源的重复利用。发酵车间的循环水节约主要措施是采用连消工艺，物料经连消进发酵罐温度可控制发酵接种温度，可节省发酵罐实消后降温的循环水。发酵车间采用连消工艺节约的电能主要有两方面，一方面是节省的循环水需要泵输送到发酵车间，节约了泵输送所需的电能；另一方面是设备周转率提高后减少了罐搅拌开启时间，节约了罐搅拌开启所需电能。

(5）近零排放：自动化车间采用全封闭式连消工艺，消毒过程中，减少消毒排气，减少车间周围消毒过程异味的排出。自动化车间所有的小排汽进行收集，无消毒排气排放，降低车间消毒过程中的噪音，保证生产车间温湿度。

1.2.2 CIP清洗系统

发酵罐的清洗也逐步引入了CIP清洗系统，通过控制喷淋球在罐内轨道的移动，喷淋球实现360度无死角清洗。具有以下优点：节约操作时间，提高工作效率；清洗结果高度一致性、可重复性；工人劳动强度更低，不需要拆卸和安装;工人更有安全保障，不需要进罐、避免跌落或接触清洗剂等。

1.3 发酵的生产过程控制

自动控制系统能够实时监测生产过程中的各项参数，通过调节温度、压力、pH值等关键指标，使发酵过程能够更加稳定和高效。同时，自动化技术还可以实现对生产过程的全程追踪和记录，为产品质量控制提供了更加有力的保障。在生产过程不断的优化工艺控制、引入新的系统和传感器来提高整个发酵自动化水平。

1.3.1 一键式控制

传统车间采用手动操作，新员工入职需要经过长时间培训、操作工序复杂，至少经过半年时间培训，才能独立上岗操作。自动化车间采用一键式空消、连消、实消、补料、倒种、放料，员工只需在操作站点击空消、连消、实消、补料等工艺段按钮，现场所有阀门自动开关，操作简单。自动化车间发酵过程中，工艺参数控制稳定、控制精度高，如实消温度、保温时间、发酵温度、发酵罐罐压、进气流量等过程参数。批与批之间工艺参数控制稳定，保证批次之间质量一致性。

1.3.2 补料控制

发酵补料生产过程中的一项关键操作。它不仅可以提供氧气，促进微生物的生长和代谢，还能帮助维持发酵液的稳定性和防止泡沫的产生。在许多工业发酵过程中，补料操作对于产物的质量和产量都有着决定性的影响。

目前国内的发酵过程补料控制主要有流加补料和间歇补料。（1）流加补料：补料管路上设有一台自动阀门和一台流量计或称重，设定要求的补料速率、补料预置总量、补料周期等参数，系统启动后按照设定补料速率开始补料，待补料总量达到预置总量后补料结束。（2）间歇补料：补料系统采用补料杯，设定好补料速率，预置总量，系统启动后按照设定补料速率开始补料，待补料总量达到预置总量后补料结束。流加补料采用先进的流量计具备更高精度地控制补料量，达到生产要求。

通过补料控制预制清单与控制相结合更能很好地提高补料的准确度和及时性。这样减少了人为因素，让生产具备更多确定性和统一性。补料控制预制清单是根据大数据分析进行比对，得出每个阶段各个物料补充量和速率等参数，这样能让生产过程更加标准化。

1.4 先进控制系统和传感器的应用

1.4.1 先进顺控和Batch控制

随着国内外控制系统的功能完善和技术的逐渐成熟，我们要在复杂和关键的控制中引入顺序控制，明确每一步的判断条件和准备状态，执行明确的指令，减少系统出现不必要的连锁；好的顺控更能结合人的控制思路完成控制任务，这样就会让整个控制系统更加精确。减少了系统中非必要功能块的应用，可以让系统瘦身，让系统更好、更稳定的运行。

逐步引入BATCH处理控制系统，采用符合ISA S88.01标准的柔性批控制软件，他可以制定不同的配方生产多品种产品。每一个配方都会有他独特的参数配置和工艺生产路线，这样就是将来发酵多功能车间的一个方向。对整个生产过程中所有的批次相关数据、报警及时间进行采集记录，为后期MES和ERP等系统预留了软件接口，为整个车间的信息化打下了基础，对后期的数据分析也起到了至关重要的作用。

1.4.2 先进在线仪表

先进的自动化控制离不开先进的检测仪表，目前发酵的常规参数都可以实现在线检测，但是一些关键参数还是无法通过在线检测实现。目前逐步引入在线的红外光谱仪在线检测发酵的关键参数得到了很好的试用。他可以在线对发酵液的成分进行分析比对，更好地指导生产系统进行相关自动化控制，实现全在线检测功能，会减少发酵过程中取样的风险，提高生产水平。

1.4.3 计算机验证

计算机验证可以帮助用户对整个系统的风险性、功能性、质量等多方面进行测试，最终达到用户需求。计算机验证是可根据SFDA、FDA、EMEA、WHO在GMP、GAMP5、21CFR Part11等方面的要求，在正式生产前期对自动化控制系统进行全方位的验证。计算机验证在发酵生产中的应用已经取得了显著的成果，并将在未来发挥更加重要的作用，以进一步保证系统的稳定性，同时提高发酵生产的效率和品质。

2 智能制造技术在发酵行业的应用

随着人工智能技术的不断进步，智能制造已经成为当今制造业的新趋势，在发酵行业中同样有着广泛的应用前景。在传统的发酵生产中，大多数企业人力来实现生产，通过引入智能制造技术，增加生产过程的自动化设备可以实现对生产过程的智能化。通过物料管理和追踪实现对生产计划的落实,库存的管理，并通过建立数据模型、优化生产计划、预测质量异常等方法，实现发酵生产过程的智能化和高效化。

2.1 供应链管理

信息化技术可以促进传统发酵行业的产业链协同和供应链管理。通过建立云平台和数据共享机制，企业可以实现整个厂区供应链实时数据监控，并进行生产决策，提高整个供应链的效率和灵活性。同时，利用大数据分析和智能算法，可以对供应链进行优化和预测，实现资源的合理配置和库存的精确控制。

2.2 生产工艺优化

传统发酵行业通过信息化技术可以实现生产工艺的优化。通过监测关键参数如温度、湿度、pH值等，实时控制发酵过程，提高生产效率和产品质量。同时，结合数据分析和人工智能技术，可以进行生产数据的挖掘和分析，发现生产工艺中的瓶颈和改进空间。

2.3 质量控制和质量追溯

借助信息化技术，传统发酵行业可以实现对产品质量的全链路控制和追溯。通过将传感器、监测设备等与信息系统连接，实时监测和记录各个环节的数据，确保产品质量符合标准要求。同时，通过建立完整的质量追溯体系，可以追踪产品从原料采购到生产加工的全过程，从而提高产品安全性和信誉度。

2.4 能源管理和节能减排

信息化技术可以帮助传统发酵行业实现能源的有效管理和节能减排。发酵环节的主要设备为发酵罐和种子罐，以及原料（培养基）调制、蒸煮、灭菌、冷却、通气调节、除菌、搅拌等附属设备。发酵周期长，涉及的工艺和附属设备功率大、能耗高，因此，是发酵类制药工业能源消耗最大的工艺环节。通过实施发酵动力系统和能量系统的优化，采用新型发酵搅拌器，以及大功率设备的变频改造等措施，可达到节能效果。发酵物料灭菌工艺中需要消耗大量的蒸汽，全封闭式连消代替实消过程，减少蒸汽使用量和消毒排气，降低噪声。发酵罐及原料消毒灭菌后的高温泛汽和冷凝水，以及发酵过程罐体冷却用的冷却水，可以通过回收系统的改造加以循环利用。提高发酵过程自动化控制信息化管理，减少人员成本和人为干预，避免人为因素造成生产过程中出现的能源浪费，保证生产过程的稳定性。通过监测能源使用情况、优化设备运行参数，以及精确计量能源消耗，可以实现能源的合理配置和减少能源浪费。此外，结合数据分析和智能控制算法，可以提供节能减排方面的决策支持，进一步降低环境污染。

3 大数据分析在发酵行业的应用

大数据技术的应用已经渗透到了各行各业，而在发酵行业中也有着广泛的应用前景。通过对生产过程中的各项指标进行实时监测和数据采集，可以建立起完整的数据集，为后续的大数据分析提供了基础。通过大数据分析技术，可以从海量数据中挖掘出有价值的信息，并通过建立数据模型、优化生产流程等手段，提高产品的质量和产能，从而实现发酵行业的可持续发展。

传统发酵车间生产过程参数及批次记录，都是人工手抄在纸上，无法保证过程参数的真实性及可靠性。自动化车间生产过程参数，都是通过仪表采集，自动传输进入控制系统，存储在操作站中，保证数据的可靠性及可追溯性。自动化过程采集数据，形成工艺大数据，为后期进行工艺改进提供数据依据。

在发酵过程中对每个批次的数据进行收集，然后对每个批次的关键数据温度、压力、流量进行比对，然后研究出关键的参数点以及参数的控制值，最后以研究结果指导自动化控制系统的控制，来实现产能的更大化，产品的收率更高。通过扥西各发酵罐尾气中的O2和CO2含量，计算出OUR、CER和RQ，工艺技术人员可以根据这些参数分析菌种生长情况，做出相应的工艺调整，以达到更高的产量。对于能源数据的使用也可以形成对比，优化生产工艺，调整能源供应方式，减少能源的投入成本。

大数据可以监测设备状态和生产过程中的异常情况，及时发现故障并进行诊断。通过智能算法和专家系统，可以预测设备的寿命和维护需求，提前采取修复或更换措施，避免生产中断和损失。

4 发展趋势展望

展望未来，随着自动化、信息化技术的不断成熟和进步，发酵行业将迎来更大的发展空间。未来，发酵工艺自动化将会更加智能化和精细化，同时大数据分析和人工智能技术的应用也将会得到更加广泛的推广。这些新技术的应用将极大地提高发酵行业的生产效率和产品质量，同时也将推动整个行业向着数字化转型的方向迈进。

5 结语

发酵行业自动化信息化技术的应用已经成为发酵行业发展的必然趋势，而未来的发展空间也将更加广阔。通过本文的深入探讨，希望可以为推动该领域技术发展和产业升级提供一些新的想法和建议，促进发酵行业迈向更加繁荣和可持续的发展。