随着生物基因技术的发展，生物基因工程在国民经济和生活中越来越重要。基因制药作为一种高技术产业，也得到了蓬勃的发展。基因制药过程中通常涉及到发酵、酸水解、酶水解和分离与纯化等一系列工艺过程。整个生产过程中涉及到产品制备与检测、质量控制、产品检定三个互相耦合的复杂操作工艺环节。传统基因将这三个工艺操作分解成多个单独的操作过程，能满足单个控制的精度要求，不能实现综合质控要求。

    本文针对基因功能亚功能片段的制备过程中涉及到的工艺环节，将制备过程中用的各种型号的高效液相色谱仪、酶标定仪、毛细管电泳仪等分析检测仪器的接口通过串行通讯与计算机相联，实现对整个生产过程中各工艺参数的监控，在保证各单点精度要求的基础上，通过计算机进行分析处理，为肽的分析检测提供新的有效手段并提高综合质控分析精度要求。同时将每次生产过程中各工业环节的条件参数、测试分析结果等数据存储起来，为后续开发中的专家系统提供强有力的数据支持，进一步提高综合质控要求。

1  纯净基因亚功能片段的制备过程的工艺研究

    功能基因亚功能片段是一种生物活性肽或多肽，通过L―天冬酰胺酶II基因工程菌生产甲状旁腺素N端34肽。功能基因亚功能片段的生产工艺涉及到多个工艺环节；上游工艺环节为了满足下游工艺环节的要求必须对当前的生产状态工艺流程，各个工艺过程和其中涉及到的分析、检测、制备仪器如图1所示。

    通过分析整个工艺过程发现，如果将各分析、检测、制备仪器采集上来的数据进行分析、处理，进一步优化发酵、水解、高效液相色谱制备过程中的参数，可以提高整个生产过程中的产量和质量。

2   整个监控系统的硬件结构简图

    整个监控系统控制部分的具体设计中，考虑到远端监控的需要及现场实时控制的需要，采用工控机和触摸屏实现上述控制要求。现场主机采用西门子S7-200系列的CPU222PLC，为实现PLC与触摸屏和上位机的通讯，扩展一块EM277，PLC与工控机和触摸屏分别通过RS485和RS232 进行通讯。

    通常情况下，高压液相色谱仪等仪器通过串口RS232与工作站相连完成对各化学成分的检测、分离，为了满足配合实际生产过程中的要求，将各个分析仪器的串口线通过多串口卡与工控机相连，采用VC多线程编程实现对各个仪器的数据采集、显示、存储等功能，利用SQL  Server数据库技术与管理级计算机实现数据的共享，使管理级计算机通过分析各仪器设备的参数，更好的监控整个系统的生产和质量控制。整个系统的硬件结构简图如图2所示。

图2  系统硬件结构简图

3  软件系统的设计

    整个监控系统的软件包括发酵、水解PLC控制程序设计和计算机监控程序的开发。PLC实现各控制参数的数据采集和常规控制任务，管理级计算机和PLC通过PPI网络实现数据交换，在基于Windows下的V3.2 STEP7软件上进行PLC程序的设计和调试。

    管理级计算机软件和仪器数据共享计算机软件开发基于WIN2000环境，以Visual C++6.0作为开发平台，在管理级计算机软件中实现实时数据显示、流程显示、实时报警、历史趋势、数据存储与查询、报表打印、参数分析等功能。仪器数据共享计算机将串口传上来的数据进行处理，提取其中有价值的数据进行显示、存储，利用联机数据库实现与管理级计算机的数据共享。

3.1  发酵过程中的控制算法

    由于发酵过程的数学模型难以建立，无法根据其数学模型设计相应的控制器，通常情况下只能通过控制发酵过程中的外部环境变量来实现对整个发酵过程的优化控制。

(1)  温度、搅拌速度控制

    发酵、水解液中的温度通过调节冷却水流量控制，考虑到发酵过程不同阶段产生热量的速度不同，过程模型参数变化较大，冷却水流量与温度关系无法精确测定，因此借鉴了自适应控制思想，采用分段设定PID控制，具体做法是先根据发酵的不同阶段，采用分段设定PID参数，再将各段参数固化于控制站内。但是发酵过程有时温差较大，易产生超调和积分饱和。故而，采用积分分离PID控制算法。

    设