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在生物制造的“工業(yè) 4.0”版圖中，發(fā)酵罐的智能化升級(jí)被公認(rèn)為最具杠桿效應(yīng)的環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)將傳感器、通訊、云計(jì)算與人工智能深度耦合，使發(fā)酵工藝從依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的模式，轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)為核心的智能模式，逐步構(gòu)建起具備實(shí)時(shí)感知、在線(xiàn)分析、自主決策與精準(zhǔn)執(zhí)行能力的發(fā)酵系統(tǒng)。
 

發(fā)酵過(guò)程是微生物以秒級(jí)速度響應(yīng)環(huán)境變換并進(jìn)行代謝調(diào)節(jié)與產(chǎn)物合成的精密生化反應(yīng)體系，對(duì)溫度、pH、溶氧等環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化極為敏感。
傳統(tǒng)依賴(lài)人工定時(shí)取樣、離線(xiàn)分析的監(jiān)控模式存在顯著的“時(shí)序滯后性”，導(dǎo)致工藝調(diào)控往往跟不上微生物實(shí)際生理狀態(tài)變化，進(jìn)而引發(fā)染菌、代謝偏移等生產(chǎn)問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)構(gòu)建全流程數(shù)字化映射，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程的透明化與可量化管理。
 

 

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)控
現(xiàn)代智能發(fā)酵罐搭載多種高精度傳感器，可對(duì)罐內(nèi)溫度、pH、罐壓、濁度、尾氣成分等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采集。設(shè)備與強(qiáng)大的組態(tài)軟件集成，為操作人員提供直觀、專(zhuān)業(yè)的本地監(jiān)控與操作界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)的集中監(jiān)視與控制。
2. AI預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)
如果說(shuō)實(shí)時(shí)監(jiān)控是物聯(lián)網(wǎng)的"感官系統(tǒng)"，那么AI預(yù)測(cè)就是其"大腦中樞"。之前上海交通大學(xué)研發(fā)的“AI工程師”系統(tǒng)被應(yīng)用于工業(yè)發(fā)酵，通過(guò)融合數(shù)百個(gè)傳感器數(shù)據(jù)流，構(gòu)建了發(fā)酵過(guò)程的多尺度數(shù)字孿生模型。該系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)識(shí)別染菌風(fēng)險(xiǎn)的早期特征（如溶氧異常波動(dòng)、尾氣CO2釋放速率突變），還可通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)生成工藝優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)從“事后補(bǔ)救”到“事前預(yù)防”的管控模式轉(zhuǎn)變。
 

*素材來(lái)源：央視新聞客戶(hù)端

3. 遠(yuǎn)端協(xié)同遠(yuǎn)程控制
基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以突破發(fā)酵過(guò)程的地域限制。通過(guò)多終端（PC/平板/手機(jī)）實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵罐的集中管理。操作人員可以實(shí)時(shí)觀測(cè)罐內(nèi)的發(fā)酵情況和設(shè)備運(yùn)行狀況，發(fā)生異常也可以及時(shí)調(diào)控，避免了處理不及時(shí)導(dǎo)致的生產(chǎn)損失。如在新冠疫情等特殊時(shí)期，某生物制藥企業(yè)可通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨省生產(chǎn)基地的“無(wú)人化”連續(xù)生產(chǎn)，避免了因人員流動(dòng)受限導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷。
 

盡管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為發(fā)酵工業(yè)描繪了新的前景，但在落地過(guò)程中仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。這些瓶頸既是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)升級(jí)需要克服的障礙，也是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向。
1. 傳感器可靠性瓶頸
發(fā)酵罐內(nèi)的高溫、高壓、強(qiáng)酸堿性環(huán)境對(duì)傳感器提出了極端工況要求。當(dāng)前pH電極的漂移問(wèn)題、溶氧傳感器的膜污染風(fēng)險(xiǎn)仍未能徹底解決，導(dǎo)致長(zhǎng)期運(yùn)行中數(shù)據(jù)可靠性下降。此外，適用于高密度發(fā)酵體系的在線(xiàn)生物傳感器（如代謝物濃度探頭）尚待突破，關(guān)鍵參數(shù)仍依賴(lài)離線(xiàn)分析。

 

2. 數(shù)據(jù)融合與解析復(fù)雜度
多源數(shù)據(jù)的有效整合是核心挑戰(zhàn)。來(lái)自不同廠商的設(shè)備協(xié)議差異導(dǎo)致系統(tǒng)集成困難，而發(fā)酵過(guò)程的多變性使得傳統(tǒng)控制模型難以適用。更關(guān)鍵的是，生物過(guò)程固有的批間差異要求AI模型具備持續(xù)自適應(yīng)能力，這對(duì)算法架構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求。
3. 網(wǎng)絡(luò)安全的現(xiàn)實(shí)隱憂(yōu)
云邊協(xié)同架構(gòu)在提升運(yùn)維效率的同時(shí)，也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)攻擊面。已有案例某發(fā)酵企業(yè)曾因控制系統(tǒng)漏洞導(dǎo)致生產(chǎn)參數(shù)被惡意篡改，造成整批產(chǎn)品報(bào)廢。因此如何構(gòu)建覆蓋設(shè)備認(rèn)證、數(shù)據(jù)傳輸加密、訪(fǎng)問(wèn)控制的多層次安全防護(hù)體系，已成為智能化改造的必備前提。
 

當(dāng)前，發(fā)酵設(shè)備的智能化正從「有無(wú)數(shù)據(jù)」邁向「數(shù)據(jù)如何創(chuàng)造價(jià)值」。以Su310系列新一代產(chǎn)品為例，霍爾斯在全產(chǎn)品線(xiàn)中統(tǒng)一部署第三代HF-Control v3.0全息智控系統(tǒng)。通過(guò)系列產(chǎn)品的持續(xù)迭代，霍爾斯已展現(xiàn)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型的明確方向。
對(duì)霍爾斯而言，未來(lái)的技術(shù)提升不應(yīng)僅停留在設(shè)備功能的疊加，而應(yīng)構(gòu)建以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)、以平臺(tái)為載體的新型發(fā)酵生態(tài)體系，構(gòu)建差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
 

 

1. 當(dāng)前發(fā)酵過(guò)程仍存在關(guān)鍵生物參數(shù)（如菌體濃度、特定代謝物含量）依賴(lài)離線(xiàn)檢測(cè)的痛點(diǎn)，導(dǎo)致工藝調(diào)控存在滯后?；魻査刮磥?lái)可與傳感器廠商合作，融合光譜分析與多源數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等先進(jìn)技術(shù)，讓用戶(hù)可以像監(jiān)測(cè)溫度等數(shù)據(jù)一樣，實(shí)時(shí)看到菌體密度或關(guān)鍵代謝物濃度變化。同時(shí)，推進(jìn)傳感器自診斷、自校準(zhǔn)功能的標(biāo)準(zhǔn)化部署，構(gòu)建高可靠性、全生命周期的數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)設(shè)施。
2. 在數(shù)據(jù)應(yīng)用上可以開(kāi)發(fā)更專(zhuān)業(yè)的發(fā)酵過(guò)程智能軟件，在提供可視化工具的同時(shí)也能具備標(biāo)準(zhǔn)的AI模型接口。如配置基于專(zhuān)家規(guī)則的染菌早期預(yù)警模型，能自動(dòng)分析溶氧、pH的異常波動(dòng)模式，讓AI不再是概念，而是能直接解決工藝問(wèn)題的工具，這樣可以極大減低技術(shù)門(mén)檻與時(shí)間成本。
 

*圖為AI生成的發(fā)酵預(yù)警模型，僅供參考
 

3. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的價(jià)值最終應(yīng)體現(xiàn)在為客戶(hù)提升效能上。這也可能催生新型服務(wù)模式，例如通過(guò)提供預(yù)測(cè)性維護(hù)、工藝優(yōu)化訂閱等增值服務(wù)，將與用戶(hù)之間的關(guān)系從單一的產(chǎn)品交易，轉(zhuǎn)向更深度的長(zhǎng)期價(jià)值共生。
 
總而言之，物聯(lián)網(wǎng)與發(fā)酵技術(shù)的深度融合，不僅是單點(diǎn)技術(shù)的升級(jí)，更是對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的漸進(jìn)式重塑。通過(guò)構(gòu)建“智能感知-開(kāi)放平臺(tái)-協(xié)同網(wǎng)絡(luò)-價(jià)值服務(wù)”四位一體的新型業(yè)務(wù)架構(gòu)，相關(guān)企業(yè)將有望從設(shè)備制造商演進(jìn)為生物制造智能化轉(zhuǎn)型的賦能者，共同推進(jìn)工業(yè)4.0時(shí)代的進(jìn)步。