西门子S7-300PLC在菌种线发酵CIP自动化清洗系统的应用与设计_开题报告

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  引言：作为工业控制领域中最重要和常见的装置之一，PLC（可编程控制器）具有编程简单、使用方便、性价比高、易于维护且对环境要求低，与其他装置连接方便等优点，它使工业自动化控制系统更加经济、可靠、是实现工业自动化的理想工具，现以西门子s7-300PLC在我公司菌种发酵CIP原位自清洗系统的成功应用为例加以介绍。

国内研究现状

1简述益生菌产品及其生物发酵工艺流程

随着我国益生菌产业发展速度的不断加快,人们对益生菌在人体中发挥作用了解的不断深入,人们对益生菌等保健食品的需求量也不断增加,人们生活水平的不断提高,对自身身体健康也越来越关注,保健意识逐渐增强,对营养品的需求也逐渐增大[1]。 一种益生菌发酵乳的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：1）益生菌母发酵：一次扩培、二次扩培、高密度培养、益生菌发酵；2）原料乳杀菌：先取粉末与水的比例为1：5混合加温至80-85℃，加入0.05-0.25份的α淀粉酶，升温至90-95℃,保温20分钟、巴氏杀菌、冷却；3）接种：4）发酵：CIP清洗、高压均质；5）灌装：自动灌装。本发明，采用CIP清洗、高压均质、超高温瞬间灭菌和自动灌装工艺[2]。 我公司生产的酸奶发酵益生菌的生产工艺流程与上述相近，益生菌母在一次二次或者三次扩培都是通过不同等级的发酵罐进行的，而在培养基及活菌株投入发酵罐进行培养之前，发酵罐需要经过CIP自清洗系统进行彻底清洗至符合标准要求才能保证活菌母不会与发酵罐残留的微生物杂志等接触而染菌。

2发酵罐原位清洗系统简述

发酵罐原位清洗系统（cip, cleaning In place）是在微机控制下，对单台或多台发酵罐或传输管线在生产结束后或开始前，不需拆卸任何设备，在全密封情况下，按规定的程序自动进行清洗操作。CIP系统可减少人工操作的失误，提高设备的利用率，确保产品质量。CIP系统的组成：生产过程中可能导致污染的参与沉淀主要有：糖类、脂类、蛋白质类和盐类。因此组成一个CIP系统必须具有清洁剂储罐和相应的喷淋和传输设备。另外，恰当的清洗程序也是有必要的。发酵罐与产品接触的部分都必须用清洁液喷淋和浸泡，同时必须选择恰当的温度、流速、搅拌速度等。CIP控制：电子技术，检测技术PLC（可编程控制器）和现代控制理论在发酵罐上的广泛应用，CIP控制变得更加智能化和自动化，操作者仅简单地对几个参数进行设置和调整，就能完成CIP过程。主要包括以下几个步骤。预冲洗，排空，碱洗排空，酸洗，排空；中间冲洗，排空；清洗，排空[3]。

3目前益生菌生物发酵应用CIP的清洗单元的应用及分析：从目前国内生物发酵领域原位清洗CIP的应用来看，未能查询到益生菌发酵设备原位清洗CIP应用的相关著作、电子文献、期刊杂志。仅查询到啤酒类生物发酵罐的清洗工艺并举例说明：日常清洗存在问题：1、发酵过程会产生大量的蛋白质、酒花树脂、多糖、酵母等有机物和草酸钙、硫酸盐等无机物，在发酵罐清空后，有机物和无机物污物附着在罐壁上，呈黄褐色，酒石数量多时，表面呈现白色，无机物与有机物相互交织在一起。清洗时使用火碱只对去除有机物起作用，清洗温度达到80度以上，才会有较好的清洗效果，而日常清洗碱的浓度只有2.5%左右，温度65度。使用酸洗时也只能洗掉无机物，而发酵罐积垢成份为无机盐与有机盐的混合物及酒石，只采用日常酸碱单一洗很难清洗干净[4]。由此可见国内生物发酵原位清洗多采用冷碱洗或者酸洗，很难保证生物发酵对发酵罐清洗效果的要求。

国外研究现状

1、简述益生菌产品解析

益生菌（probiotic）又称微生态调节剂、生态制品、活菌制剂、是指能够促进肠道内生态菌群生态平衡，对宿主起有益作用的活的微生物制剂[5]。益生菌至少应包括两个性质：一是此微生物是活的；二是能够引出另外的营养学益处[6]。益生菌对健康的有益作用最早是由俄国科学家Metchnikoff（1845~1919）提出的，他认为肠道乳酸菌能够通过防止腐败菌的生长而起到延长寿命的作用[7]。

在美国，益生菌市场不断发展，现在的数据还不能反映其潜力。而且来自不同渠道的数据反映了产品的“附加值”特性，即：益生菌成本可能只是成品的一小部分，而包装、运输、广告、收益及其他产品成份（如：酸果提取物、抗氧化维生素、低聚果糖和奶粉）一起都加入到成本及成品的购买价格中。因此很难准确估计工业化生产益生菌产品的销售情况[8]。

2目前益生菌生物发酵应用国外进口CIP的清洗单元的应用及分析：目前，兰州生物制品研究所有限公司使用的发酵罐系统主要来自于荷兰APPLIKON公司、上海日泰公司、上海森松公司和成都英德公司等。以荷兰APPLIKON公司发酵系统为例，它的每套发酵罐系统中，都配备有CIP清洗单元。在APPLIKON公司生产的几代产品中，CIP清洗单元也在随着设备的改进在不断改进，其中以喷淋球的改进最为明显。APPLIKON公司选用的是激烈的喷射式的清洗球，使用改进后的高雅喷淋球，无需拆卸，并且可以与罐体一同高压灭菌，简化了操作过程。如今CIP清洗单元在食品加工和医药生产中的应用已基本普及，替代了老式的人工清洗方式。CIP清洗单元的应用大大提高了工作效率，并且节约了成本。现对CIP清洗系统在实际中的应用做如下阐述：

2.1 CIP清洗程序的设定

以APPLIKON公司生产的CIP清洗单元为例，清洗步骤如图1所示：

    

      

      

            图1 清洗流程图

在进行CIP前，首先需要对清洗参数进行设定，用户可根据自己的需要对清洗步骤、时间长短等进行设定，然后开始清洗程序。兰州生物制品研究所有限责任公司各科室根据实际生产情况会用到不同的清洗工艺，有时清洗过程只用到WFI（注射用水）对发酵罐罐体进行清洗，且WFI的温度要求一般是在80℃左右。清洗过程的主要环节是将WFI由高压清洗泵打压到3bar再经高压喷淋球的旋转对整个罐体进行全方位清洗。APPLIKON公司CIP清洗系统对设备清洗分为两个环节：一是对整个罐体内壁残留污垢进行冲洗；二是对发酵罐罐体相连接的管路、取样阀、进气孔等进行全面清洗，保证不留死角。

2.2 酸碱洗涤剂

  发酵罐根据培养制品的不同有时会用到酸、碱洗涤剂。酸碱洗涤剂中的酸是指1%~2%硝酸溶液，碱指1%~3%氢氧化钠在65~80℃使用。酸碱洗涤剂的优点是能将微生物全部杀死、去除有机物效果良好；缺点是对皮肤有较强的刺激性、水洗性差。兰州生物制品研究所有限责任公司生产的部分产品会残留很多蛋白，由于由于碱性洗涤剂对蛋白的清洗效果较好，所以在进行CIP清洗时通常会用到加碱洗，然后用注射水或纯化水进行多次清洗，保证没有残留。

2.3 清洗效果的评定标准

  作为药品行业理想的CIP清洗，清洗效果须达到如下标准：（1）清新、无异杂味，对于特殊的处理过程或特殊阶段容有轻微气味，但不影响制品的最终安全和自身品质；（2）清洗表面光滑、无积水、无膜、无污垢或其他；（3）清洗完成后，电导率达到1μs/cm以下。在实际使用中，可以根据需要在HMI（人机界面）中设定参数，当电导率符合设定标准后清洗会自动结束。

     如今，随着生物科技的不断发展，CIP清洗单元的功能也越来越全面，系统运行更加稳定。用户在清洗过程中可以更加自主地根据需要设定清洗容，并通过完善的监测系统及时反馈清洗过程中PH、温度、电导率等数据的变化，以保证设备达到安全高效的清洗目的[9]。

综上所述，近年来越来越多的专家和科研人员认识到肠道菌群对人类健康的重要性，以及膳食纤维成分对肠道菌群的构成及代谢的有益调节作用。随着微生物发酵理论研究人员的深入，我公司已经将该理论实验室研究成果扩大规模投建了菌种发酵生产线，历时1年多完成了整条设备的安装调试，并已成功投产。因CIP清洗系统投入运行使用效果良好，现以我公司应用了西门子s7-300PLC在菌种线发酵CIP自动清洗的实例应用进行介绍：主要包括自动化系统的设计及软件开发等内容。整体应用类似于以下案例：本^范文主要介绍了来自内蒙古鄂尔多斯市宏丰选煤厂。根据此选煤厂的实际生产要求,即“挖潜增效、节能降耗”的原则下,选用了Profibus现场总线,西门子公司提供的S7-300PLC,STEP7软件以及上位机WINCC组态软件对选煤厂集控系统进行设计,并对它们一一作了详细的介绍,即：Profibus现场总线的协议结构,通信方式,通信规范,主从站的搭建；下位机PLC的选型、通信方式、工作流程以及对设备控制程序的实现；上位机WINCC工作特点、相应功能、WINCC与S7的通信的实现、工作流程以及监控画面的实现等。通过对上位机WINCC,下位机STEP7, Profibus现场总线与下位机的通信的成功搭建,并在现场作了运行调试,系统运行正常,实现了手动控制,自动控制和设备间的连锁运行。[10]现场总线技术是当今控制领域的热点，基于现场总线技术控制系统将导致自动化系统结构与设备的深刻改革。首先对现场总线在概念、特点、有点、发展趋势等方面做了简单介绍，指出现场总线控制系统必将取代传统的控制方法。对西门子S7-300/400系列PLC及其通信网络系统进行了研究，对PLC的硬件组成，软件设计和组件MPI网络、PROFIBUS网络的方法进行了探讨和总结。[11]

二、^范文提纲

1引言

1.1背景

1.2 控制系统概述

1.3 控制系统现状

1.4 本研究的意义与目的

控制系统设计

2.1 控制系统硬件

2.2 控制系统软件

控制软件设计与开发

3.1 控制系统方案

3.2 step7程序模块

3.3 wincc软件开发

4 总结

  

参考文献（10篇以上）

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