Система автоматического управления процессом культивирования аэробных микроорганизмов
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик . ( )И) М.кл. G 05 О 27/00 (22) Заявлено 300981 (21) 3341298/28-13 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий Опубликовано 150333. Бюллетень ¹ 10 Дата опубликования описания 150383 )33) УДК 663 ° 1 (088.8) (72) Авторы изобретения М.Ж.Кристапсонс, Л.Я. Лицис, У.Э.Виестур и С.Э.Селга Институт микробиологии им. A. Кирхенштейна (71) Заявитель,(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ АЭРОБНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ Изобретение относится к управленик . ироцессом культивирования микроорганизмов и может быть использовано в пищевой, медицинской и микробиологической йромыаленностях. Известна система автоматического уйравления процессом культивирования микроорганизмов, содержащая ферментер с линией подачи воздуха и мешалкой, исполнительный механизм для управления мешалкой и линией подачи воздуха, датчики определения количества.кислорода во входящем soapyxe и отработанных газах, блок определения разности кислорода во входящем и отработанных газах, датчики определения концентрации биомассы и концентрации синтезируемого целевого продукта. В данной системе производится автоматическое . регулирование пода чи аэрирующего воздуха и скорости вращения мешалки ферментатора в зависимости от концентрации биомассы, синтезирующего продукта и разности содержания кислорода в аэрирующем воздухе и выходящем газе 1». Недостатком известной системы автоматического управления процессом культивирования является то, что ав- .томатическое управление подачей воздуха и скорсстью вращения мешалки йе Обеспечивает оптимальные условия для биосинтеза метаболита с учетоь окислительно-восстановительного потенциала Eh. Цля многих процессов микробного синтеЗа оптимальными являются такие условия, при которых )p .парциальное давление растворенного кислорода — рО находится в той об- . ласти, где его измерение именкцимися средствами (мембранными датчиками) затруднено. Именно в этой области 5. изменения рО .эффективно измеряется Eh, но эта величина зависит как от рОо, так и от рН среды, что видно иэ выражения 2О И=а Š— =Ь- — рИ вЂ” ЕпрО RT 0см Щ Щ о.и при 30 С Eh Eo — 0,06 рН + + 0,015 lg рОх, где Eh — окйслительно-.восстановительный потенциал, мВ; Е, — постоянный потенциал, зависящий от химическо30 ro состава среды, мВ, 1004998 F газовая постоянная, рав ная 8,314 ° 107эрг/град х х моль абсолютная температура, число Фарадея, равное 96 500 Кл, активность ионов гидрокснла, парцнальное давление растворенного кислорода. Наиболее близким техническим решением к изобретению является система автоматического управления процессом культивирования аэробных микроорганизмов.в ферментере, включающая регулируемый привод скорости вращения мешалки, управляемый клапан, .установленный на линии подачи воздуха на аэрацйю, датчики рН среды и окислительно-восстановительного потенциала, программный блок, подключенный к входу блока анализа, выход которого соединен с формирователем управляющих сигналов . Данная система осуществляет контроль и регулирование рН и окислительно-восстановительного потенциала среды. также осуществляется регулирование числа оборотов мешалки и подача возду- . ха на аэрацию с учетом величины прироста концентрации живых организ.мов и отношения концентраций живых организмов и концентрации биомас- сы Е23 Недостатком этой системы является то, что не исключается .возможность самовозбуждения, за счет чего снижается эффективность автоматического регулирования. Кроме того, отсутствие синхрон. ности между скоростью вращения мешалки и подачей аэрирующего воздуха может привести к такому состоя-. нию, когда для достижения одной цели мешалка вращается с крайней максимальной или минимальной скоростью, а аэрация в это время автоматически устанавливается на таком крайнем уровне, который противодействует пере мещению, что приводит к прекращению регулирования и отсутствию деполяризации электрода, измеряющего окислительно-восстайовительный потен- циал Eh и снижает точность измерения, а тем самым - точность автоматического регулирования. Все перечисленные недостатки известной системы автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов являются причиной снижения выхода целевого продукта. Целью изобретения является увеличение выхода целевого продукта. Поставленная цель достигается тем, что система автоматического управления процессом культивирования аэробных микроорганизмов в ферменте. ре, включающая регулируемый привод скорости вращения мешалки, управляемый клапан, установленный на линии Подачи воздуха на аэрацию, датчик рН среды, датчик окнслительно-восстановительного потенциала и программный блок, подключенный к входу блока анализа, выход которого соединен сlформирователем управляющих сигналов, снабжена коммутатором, суммато10 ром, широтно-импульсным модулятором и генератором синхроимпульсов, выход последнего подключен к входу блока анализа и одному из входов коммутатора, другой вход которого соединен с датчиком окислительно-восстановительного потенциала, а выход— с сумматором, причем вход последнего связан с датчиком рН среды, а выход — с входом блока анализа, при 2р .этом вход связанного через тахогенератор с приводом мешалки широтно-импульсного модулятора подключен к входу формирователя управляющих сигналов, соединенного с приводом мешалки, а выход широтно-импульсного модулятора связан с управляемым клапаном, установленным на линии подачи воздуха, на аэрацию. Кроме того, система снабжена генеЗО ратором деполяризационных импульсов, вход которого связан с генератором синхроимпульсов, а выход — с коммутатором. На чертеже показана схема предло35 женной системы автоматического управления процессом культивирования аэроб. ных микроорганизмов ° В ферментере,1 вмонтирован датчик 2 измерения окислительно-восста4g новительного потенциала Eh, который . через коммутатор 3 подключен к одному из входов сумматора 4, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 рН среды, вмонтированного так4 же в ферментере 1. Выход сумматора 4 подключен к входу блока анализа, сос-. тоящего из двух узлов 6 и 7 храйения информации, сумматора 8 и порогового ключа 9, причем один из вхоО дов блока анализа является вход узла 6 хранения информации, выходом связанного с сумматором, выход которого через пороговый ключ подключен . к входу узла хранения информации ° Второй вход блока анализа, которым является вход сумматора 8, связан с выходом программного блока 10, а выход блока .анализа — с входом формирователя 11 управляющих сигналов. Выход формирователя 11 управляющих 60 .сигналов подключен к входу широтноимпульсного модулятора 12, выходом связанного с управляющим входом клапана 13 и к двигателю 14, вал которого связан с валом мешалки 15 и с 65 валом тахогенератора 16, соединен- 094998 ного выходом с входом широтно-импульсного модулятора 12 ° Выход генератора 17 синхроимпуль-, сов подключен к входу коммутатора 3, к входдм узлов б и 7 хранения информации блока анализа и к запускающему входу генератора 18 деполяризованных импульсов, выход которого че-, рез коммутатор 3 соеднйен с датчиком 2 окислительно-восстановительного потенциала.Датчики рО и др. на чертеже не показаны для упрощения чертежа. Система работает следующим образом. Выходной сигнал с датчика 2, соответствующий Eh раствора, поступает на вход сумматора 4 через коммутатор .3. Потенциал электродной системы датчика 2 для измерения Eh, как это.отмечено валдае, зависит .от рО и рН в растворе. Вследствие поляризации по. L тенциал электрода датчика 2 произволь-. но меняется.. Дуя устранения этого датчик 2 коммутаторов 3 с периодом 3-10 с отключается от сумматора 4 и подклю. чается к генератору 18 деполяризационных импульсов, срабатывающему .от управляющего импульса генератора 17 синхроимпульсов. Происходит деноляризация, т.е. токовое разрушение, верхнего молекулярного слоя электрода, после чего чувствительность его возобновляется н он вновь коммутатором 3 подключается к входу сумматора 4. На вход сумматора 4 поступает так. же сигнал с датчика 5 отражающий рН среды, что приводит к устранению влияния изменения рН среды íà Eh, поэтому выходной сигнал сумматора 4 .отражает уже не Eh, à rk " рН. Скорректированный в сумматоре 4 сигнал заряжает узел. 6 хранения информации блока анализа.после прихода ..на управляющий вход узла 6 хранения ийформации управляющего импульса с генератора 17 синхроимпульсов. Сигнал от .узла 6 хранения информации поступает на первый вход сумматора 8, на второй вход которого поступает установленное напряжение с программного блока 10. Выходной сигнал сумматора 8 следует на вход порогового ключа 9. При превынении порога, определяемого зоной нечувствительности системы, сигнал поступает на вход узла 7 хранения информации,. блока анализа, который после прихода от генератора 17 синхроим-ъ пульсов управляющего импульса, изменяет свой заряд. Выходной сигнал узла 7 хранения информации, работающего в режиме интегратора, поступает на вход формирователя 11 управляющих сигналов. С выхода формирователя управляющих сигналов поступают корректирующие сигналы на вход привода 14, вследствие чего изменяется интенсивность перемешиаания,изменяется. Eh раствора, выравниваются сигналы от узла б хранения информации и програм.много блока 10, система устанавлива10 ется в заданный режим. Так как выходное напряжение тахогенератора 16 изменяется пропорционально скорости вращения мешалки 15, то меняется и длительность (широта) 15 выходных импульсов широтно-импульсного модулятора 12 и, следовательно, суммарная пропускная способность управляющего клапана 13, установленного на линии подачи воздуха на аэра20 цию, причем каждой скорости вращения мешалки 15 соответствует одна определенная пропускная способность клапана 13, что обеспечивает синхронность в работе мешалки и кла25 пана, таким образом согласуются уп,равления работсй мешалки 15 и клапана 13, установленного на линии подачи .воздуха на аэрацию. Годовой экономический эффект от при" Зр.менения предложенной системы автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов при п Фоиэводстве лизина по сравнению с прототипом ожидается в размере 0,7-1,05 млн.руб. 3f .в год Формула изобретения 1. Система автоматическоГо управ- ления процессом культивирования аэробных микроорганизмов в фермеитере, нключающая регулируемый привод скорости вращения мешалки, управляемлй клапан; установленный на линии подачи воздуха на аэрацию, датчики рН среды и окислительно-восстановительного потенциала, программный блок, подключенный к входу блока анализа, выход которого соединен с формирователем управляющих сигналов, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта, она снабжена коммутатором, сумматором, широтно-импульсным модулятором и генератором синхроиипульсов, выход последнего подключен к входу блока анализа и одному из входов коммутатора, другой вход которого соединен с датчиком окислителъно-восстановительного потенциала, а выход — c сумматором, причем вход последнего связан с датчиком рН среды, а выходс входом блока анализа, при этом вход связанного через тахогенератор 45 с приводом меаалки широтно-импульс1004998 ВНИИПИ Заказ 1896/61 Тираж 872 Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ного модулятора подключен к входу формирователя управлякщих сигналов, соединенного с приводом мешалки, а выход широтно-импульсного модулятора связан с управляемым клапаном, установленным на линии подачи воздуха на. аэрацию. 2. Система по п. 1, о т л и ч а вai а я с c я R тTеeмM, .что она снабжена генератором деполяризационных импуль. сов, вход которого связан с генератором синхроимпульсов, а выход — с коммутатором. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 9 483426, кл . С 12 0 .3/00, 1973, 2. Авторское свидетельство СССР М 662579, кл . С 12 Й 1/00, 1977.
