Система автоматического управления периодическим процессом ферментации

 

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАЦИИ, содержащая контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию, давления и температуры в аппарате, включающие соответственно датчики измеряемых параметров, регуляторы и исполнительные механизмы, и контур регулирования величины рН, включающий датчик и блсйс задания оптимальной величины рН в аппарате, выходы которых подсоединены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого подключен к входу релейного блока, последовательно соединенные датчик и обратную модель канала управления без запаздывания, а также переключающее реле, выход которого связан с исполнительными механизмами, установленными на линии подачи в аппарат щелочи и кислоты, отличающаяся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта путем повышения качества управления, она снабжена блоком управления, вторым сумматором и последовательно соединенными третьим сумматором, . ключевым элементом и регулятором, при этом входы третьего сумматора соединены с выходами первого сумматора и обратной модели, выходы релейного блока и регулятора -подключены (Л соответственно к первому и второму входам переключающего реле, выход которого связан с первым входом второго сумматора, к второму входу которого подключен выход обратной модели, один из входов блока управления соединен с входом первого сумматора , другой вход - с выходом второго сумматора, а выход подключен к управляющему входу переключающего реле и второму входу ключевого элемента . со

СОЮЗ СОаЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИХ (19) (11) З(59 С 12 3/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2i) 3558507/28-13 (22) 01.03.83. (46) 15.07.84. Бюл. К- 26 (72) В.Ф. Лубенцов, Н.Р. 10супбеков и А.В. Бабаянц (7i) Грозненское научно-производственное объединение 1 Промавтоматика (53) 663 1(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М- 819800 „ кл. С 05 D 27/00, 1981.

2. Федосеев К.Г, Физические основы и аппаратура микробного синтеза биологически активных соединений.

М., 1977, с. 222-223. (54)(57) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

ФЕРМЕНТАЦИИ, содержащая контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию, давления и температуры в аппарате, включающие соответственно датчики измеряемых параметров, регуляторы и исполнительные механизмы, и контур регулирования величины рН, включающий датчик и блок задания оптимальной величины рН в аппарате, выходы которых подсоединены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого подключен к входу релейного блока, последовательно соединенные датчик и обратную модель канала управления без запаздывания, а также переключающее реле, выход которого связан с исполнительными механизмами, установленными на линии подачи в аппарат щелочи и кислоты, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью уве-. личения выхода целевого продукта путем повышения качества управления, она снабжена блоком управления, вторым сумматором и последовательно соединенными третьим сумматором, ключевым элементом и регулятором, при этом входы третьего сумматора соединены с выходами первого сумматора и обратной модели, выходы релей- g ного блока и регулятора, подключены соответственно к первому и второму входам переключающего реле, выход которого связан с первым входом второго сумматора, к второму входу которого подключен выход обратной модели, один из входов блока управления соединен с входом первого сумматора, другой вход - с выходом второго сумматора, а выход подключен к управляющему входу переключающего реле и второму входу ключевого элемента.

1И

11028

Изобретение относится к микробиологии, а именна к автоматическому управлению процессами ферментации при производстве антибиотиков и может быть использовано в медицинской, пищевой и других отраслях промышленности.

Известна система автоматического управления процессом микробиологического синтеза, содержащая датчики и блоки задания оптимального профиля температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате, связанные через переключающие реле с зада1ощими входами соответствующих регуляторов, выходы Которых подкл1очены к исполнитель-15 ным механизмам, установленным соответственно на линии подачи охлаждающей воды, подачи аэриру1ощего воздуха и титранта, регулирующего величину рН в аппарате 1).

Недостатком данной системы явпяется невысокое качество управления процессом по величине рН, обусловленное тем, что формирование управляющего воздействия на подачу титранта 25 при помощи регулятора, не учитывающег го изменений дин»мических характеристик в ходе процесса, не обеспе 1ивает оптимальных условий культивирования, в результате чего происходит снижение выхода целевого продукта.

Наиболее близкой к предлагаемой является система автоматического управления периодическим прапессом ферментации, содержащая контурь! ста35 билизации расхода воздуха на аэрацию, давление и температуры в аппарат, вкл1очающие соответственно датчики измеряемых параметров, регуляторы и исполнительные механизмы, и контур регулирования величины рН, включающий датчик и блок задания оптимальной величины рН в агп1арате, выходы которых подсоединены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого подключен к выходу релейного блока, последовательно соединенные датчик и обратную мадель кана>та управ.rc ния без запаздывания, а т»I< же гтерекл1оч»1ощее реле, выход которо50 го соединен с исполните.яьными механизмами, уcòbI«OIIJIålrlrl Illè на линии подачи в агп1»рат щелочи и кислотыг 2).

Однако качество регулирования рН с помощью известной системы IleIEblcnкое, паско,.-гьку продолжительность

55 дозы кислоты или щелочи, подаваемой в аппарат, является постаянной при любом откло:!е11ип вели !ины рН от заданного значения, !то приводит к лев ридоэиравке тИтрант» в случ»е неб>опьElIzIx отклонений IE»J!zr r IEIE»E pli от зада— ния, в то время I;»«EEpr«13vенении свойств культуральной жидкости и ходе процесс а 1! при умен! ше11ии отклонений по рП прадолжитсльнс>сть,;!азы титр»«та также должн» корректироваться. При значительном изменении характеристик периодического процесса ферме«тации 11ередозиравк» тlr p»EEта оказыв»ется существенной и приводит к плите>1ьнь1м откг!анения; pii да заданного зн»чения, что приводит в конечном итоге к снижению выхода целевого продукта.

Цель из об ротс 1111л уll с ли I е llие вь! хода целевого продукт» путем по!«ия»вЂ” ния качеств» управле11ия.

Поставленная цель даст«1;i»тся т»M что система»в Tом»тическ0га уllp;EIIJIения периодическим про!!ассом фс.рмс нтации, содерж»щая контуры ст»билиз»ции расхода воздух» !1а а:>рацию, давления и температуры в »впар»те, вк>11оча1ощие соответственно датчики измеряемых параметров, регуляторы и исполнительные мех»низ>1ы EE контур ре1 улиравания величины pii, включа1оший д»тчик и блок 3»да11ия оптимальной величины рН в аппар»те, выходы которых подсоединены к соответству!о1«им вхадам первога сумм»тара, выхол которого подключен к входу релейного блок», последов»тел>,на соединенные датчик и обратну1о модель канала упр»вления без запаздывания, » также переключающее реле, выход ксторо1о св 13»II с исполнительными механизм»ми, установленными на линии подачи в »ппарат щелочи и кислоты, сн»бжен» блоком уг1равления, вторым сумматором и последовательно соединенными третьим сумматором, ключевым элементом и регулятором, при этом входы третьего сумматора соедине«ы с выходами первого сумматора и обратной модели, ьыходы релейного блока и регулятора г1одкгпочены соответственно к первому и второму входам переключающего реле, выход которага связан с первым входом второго сумматора, к второму входу которого подключен выход обратной модели, один из входов блока управления соединег! с входам первого сумматора, другой вход — с выходом второго сумматора, а выход подключен к управляющему входу переключаз 1102 ющего реле и второму входу ключевого элемента.

На чертеже представлена блок-схема системы автоматического управления процессом ферментации.

Система содержит контур стабили5 зации температуры в аппарате 1. включающий датчик 2 температуры, подключенный к входу регулятора 3, связан4 ного с исполнительным механизмом 4, 10 установленным н а линии подачи охлаждающей воды. Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию содержит датчик 5 расхода воздуха, подключенный к входу регулятора 6, связанного с

15 исполнительным механизмом 7, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию. Контур стабилизации давления в аппарате содержит датчик 8, подключенный к входу регулятора 9, связанного с исполнительным механиз20 мом 10, установленным на линии отходящих из аппаратов газов. Контур регулирования величины рН в аппарате содержит последовательно соединенные

25 датчик 11 рН, первый сумматор 12, связанный с блоком 13 задания оптимального профиля регулирования рН, третий сумматор 14, ключевой элемент

15, регулятор 16, переключающее реле 17; второй вход которого подключен к выходу релейного блока 18, соединенного с выходом первого сумматора 12, последовательно соединенные обратную модель 19 канала управления, подключенную к датчику, 11, второй 35 сумматор 20 и блок 21 управления, вторые входы которых подключены соответственно к выходам переключающего реле 17 и первого сумматора 12. Вы- ход переключающего реле 17 связан с исполнительным механизмам 22 и 23, установленными соответственно на линии подачи щелочи либо кислоты в аппарат 1.

Система автоматического управле- 45 ния работает следующим образом.

При .отключении величины рН, измеряемой датчиком 11, от заданного оптимального значения, на выходе первого сумматора 12, возникает рас- 50 согласование, поступающее на третий сумматор 14, входы релейного регулятора 18 и блока 21 управления. Сигнал с выхода датчика 11 поступает также на выход обратной модели 19, 55 значения параметров которой равны усредненным значениям параметров .передаточной функции канала управле813 Ь ния процессом ферментации по величине рН. Сигнал с выхода обратной модели 19 поступает через. второй сумматор 20 на вход блока 21 управления, где формируется результирующий сигнал, который сравнивается с заданным пороговым значением. При отклонении текущего значения результирующего сигнала от установленного порогового значения в блоке 21 управления формируется командный сигнал, поступающий на управляющий вход переключающего реле 17 и на вход ключевого элемента 15. Если значение результирующего сигнала выше установ,ленного порогового значения, в блоке

21 управления формируется командный сигнал, обеспечивающий посредством переключающего реле 17 подключение выходы релейного блока 18, формирующего управляющее воздействие в виде импульсов, постоянных по амплитуде

U(t) = U g > HB входы исполнительных механизмов 22 и 23. В зависимости от знака отклонения рН от заданного значения с помощью исполнительного механизма 22 или 23 осуществляется подача дозы титранта 1 постоянной IIo амплитуде, в аппарат 1. Одновременно сигнал с выхода переключающего реле 17 поступает на вход второго сумматора 20, где управляющее воздействие U(t) сравнивается с выходом обратной модели 19, передаточная функция которой аппроксимируется обратной передаточной функцией канала управления величиной рН. Поскольку обратная модель 19 включена последовательно с задатчиком 11 рН, то выходной сигнал обратной модели 19 тождественен входному сигналу. канала управления величиной рН, т.е. входному воздействию U(t). При соответствии параметров передаточной функции обратной модели текущим параметрам передаточной функции канала управления величиной рН рассогласование между выходным сигналом переключающего реле, равным в данном случае U „ „, и выходным сигналом обратной модели

19, равным при М„„(Р) = Wо,(Р) величине входного воздействия X„(t), так как в этом случае (t) = U (P) W.-„" "(p) где Wo (Р) — передаточная функция объекта; (Р) — передаточная функция обратной модели, 5 1102

:отсутствует и сигнал на выходе вто-, рого сумматора 20 равен нулю. При этом в блоке 21 управления с величиной порогового значения сравнивается только величина сигнала рассогласо5 вания между заданным и текущим значениями рН, поступающего на.вход блока 21 управления с выхода первого сумматора 12. Вследствие воздействия релейного блока 18 на подачу титран- 1р та (щелочи либо кислоты} с помощью исполнительного механизма 22 нли 23 происходит уменьшение величины отклонений рН от заданной. В этом случае рассогласование на выходе первого сумматора 12 уменьшается и при достижении заданной пороговой величины блок управления 21 выдает командный сигнал, поступающий на ключевой элемент 15, который осуществляет подключение выхо- О да третьего сумматора 14 на вход регулятора 16. Одновременно командный сигнал с выхода блока 21 управления поступает на управляющий вход переключающего реле 17, которюй при этом осуществляет коммутацию выходного сигнала аналогового регулятора 16 на вход исполнительного механизма 22 и 23.

Если к этому моменту времени величи-! на рН не достигла заданного значения, то выходной сигнал первого сумматора 12, не равный нулю, поступает на вход регулятора 16, который продолжает формировать воздействие через переключающее реле 17 на подачу титранта. Поскольку подключение регуля35 тора 16осуществляется вблизи устанав. ливающегося значения рН,. то регулятор

16 обеспЬчивает доведение рН к заданному значению малыми дозами титран-, та. Это исключает передозировку титранта, а следовательно, исключается неблагоприятное влияние подаваемых растворов щелочи и кислоты на выход целевого продукта биосинтеза.

По мере дальнейшего протекания периодического процесса ферментации реологические свойства культуральной жидкости изменяются, ухудшаются массообменные характеристики и качество гидродинамической обстановки в

50 аппарате. В конечном итоге это приводит к тому, что динамические свойства канала регулирования величины рН ухудшаются. В этом случае для уменьшения длительности переходных процессов по каналу регулирования рН следует увеличить подачу титранта максимальной дозы. В предлагаемой

813 системе это достигается за счет того, что при отклоненйи параметров передаточной функции канала регулирования рН вследствие изменения свойств культуральной жидкости от параметров обратной модели рассогласование между выходным сигналом обратной модели 19 и выходным сигналом переключающего реле 17 не равно нулю.- Этот сигнал рассогласования с выхода второго сумматора 20 вместе с.сигналом рассогласования при отклонении рН от заданного значения с выхода первого сумматора 12 поступает на вход блока 21 управления, в котором полученный результирующий сигнал продолжает сравниваться с заданной величиной порогового значения, Нри превышении результирующиМ сигналом порогового значения блок 21 управления выдает командный сигнал, поступающий на переключающее реле 17, которое вновь коммутирует выходной сигнал релейного блока 18 на вход исполнительного механизма 22 или 23, обеспечивая подачу титранта в аппарат 1. При изменении динамических характеристик канала регулирования рН (например при отклонении текущего значения коэффициента усиления объек та по каналу регулирования величины рН от значения коэффициента в модели, например при уменьшении его) время достижения результирующим сигналом установленного порогового значения увеличивается. В этом случае сигнал с выхода блока 21 управления на переключение реле 17 не поступает и подача в аппарат 1 дозы максимальной величины продолжается. При достижении результирующим сигналом установленного порогового значения с выхода блока 21 управления поступает сигнал на ключевой элемент 15 и переключающее реле 17. В этом случае на вход регулятора 16 через третий сумматор о

14 поступает сигнал рассогласования с выхода первого сумматора 12 и выходной сигнал обратной модели 19, обеспечивающий компенсацию инерционности канала регулирования величины рН, способствуя снижению длительности переходного процесса, а выход регулятора 16 коммутируется на соответствующий исполнительный механизма, с помощью которого осуществляется доведение величины рН до заданного значения. При отклонении текущего значения коэффициента усиления объек7 11028 . та по каналу регулирования рН в сторону увеличения его от значения, уСтановленного в модели, результирующий сигнал, формируемый в блоке 21.,управления, быстрее достигнет установленного .порогового значения. За счет этого продолжительность подачи дозы титранта максимальной амплитуды ограничена, а подключение регулятора 16 обеспечивает доведение рН до заданного значения без существенного перерегулирования. Таким образом, в предлагаемой системе за счет коррекции продолжительности дозы титранта максимальной величины в зависимости от изменений коэффициента усиления. объек-. та, определяемых по величине рассогласования между выходным сигналом обратной модели 19:и сигналом входного воздействия на объект, поступающего с выхода переключающего реле 17, обеспечивается качественное регулиро" ванне величины рН в аппарате 1 °

Стабилизация температуры в аппарате f осуществляется с помощью регуля-2

13 8 тора 3 и исполнительного механизма 4, воздействующего н,,а подачу охлаждающей воды.

Стабилизация расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате осущест-. впяется соответственно с помощью регуляторов 6 и 9 и исполнительных механизмов 7 и 10, воздействующих на подачу воздуха в аппарат и сброс отходящих газов.

В результате реализации системы автоматического управления периодическим процессом ферментации путем повышения качества управления посредством дискретно непрерывного дозирования раствором щелочи и кислоты на разных этапах нестационарного процесса, исключающего неблагоприятное влияние избыточных доз щелочи и кислоты на вьиод при биосинтеэе, увеличивается выход щелевого продукта на 3,5Х.

Экономический эффект составляет

7,6 тыс.. руб. в год.

1102813

Заказ 4905/16 Тираж 522

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Г. Богачева

Редактор Л. Пчелинская Техред Н. Кастелевич Корректор-а.