Способ автоматического управления процессом аэробного многостадийного выращивания микроорганизмов

 

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ АЭРОБНОГО МНОГОСТАДИЙНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматривающий регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа, обOfTJpaS личающийся тем, что, с целью увеличения продуктивности процесса, определяют скорость образования биомассы на каждой стадии , осуществляют регулирование соотнощения расходов аэрирующего газа и питательной среды в зависимости от скорости образования биомассы на каждой стадии и распределение по стадиям общего потока питательной среды осуществляют по формуQx -||3r-R где

союз советсних

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3551564/28-13 (22) 11.02.83 (46) 07.04.85. Бюл. № 13 (72) А. Ю. Винаров, В. В. Кафаров, Л. С. Гордеев, Е. А. Семенова и К. В. Лемешко (71) Всесоюзный научно- исследовательский институт биосинтеза белковых веществ (53) 663.1 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 507625, кл. С 12 Q 3/00, 1974. (54) (57) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ АЭРОБНОГО МНОГОСТАДИЙНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматривающий регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа, от„„Я()„, 1149230 д

4(59,G 05 D 27/00; С 12 Q 3/00 личающийся тем, что, с целью увеличения продуктивности процесса, определяют скорость образования биомассы на каждой стадии, осуществляют регулирование соотношения расходов аэрирующего газа и питательной среды в зависимости от скорости образования биомассы на каждой стадии и распределение по стадиям общего потока питательной среды осуществляют по формуле

Qi — у — у — В, Я

1 к где 9;-поток питательной среды на каждую

i-ую стадию;

Я» — общий поток среды; ф — число стадий выращивания;

R". — скорость образования биомассы на

i-й стадии.

1149230

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам автоматического управления процессом непрерывного многостадийного выращивания микроорганизмов, предпочтительно кормовых дрожжей.

Известен способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, предусматривающий регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа с коррекцией по величине рассогласования текущего и предыдущего значений величали экономического коэффициента использования субстрата (1) .

Недостатком известного способа является то, что регулирование процесса проводят на основании медленно изменяющегося параметра процесса — экономического коэффициента, что не позволяет достаточно оперативно реагировать на изменения параметров процесса, а также то, что раздельное регулирование расходами питательного субстрата и воздуха по данному параметру не обеспечивает максимальной продуктивности процесса выращивания биомассы.

Целью изобретения является увеличение продуктивности процесса.

Указанная цель достигается тем, что при способе автоматического управления процессом аэробного многостадийного выращивания микроорганизмов, предусматривающем регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа, определяют скорость образования биомассы на каждой стадии, осуществляют регулирование соотношения расходов аэрирующего газа и питательной среды в зависимости от скорости образования биомассы на каждой стадии и распределение по стадиям общего потока питательной среды осуществляют по формуле ц =Ь „R1 а R< где@;-поток питательной среды на каждую

i-ю стадию;

9 — общий поток среды;

N — число стадий выращивания;

R> — скорость образования биомассы на х

i-й стадии.

На чертеже приведена принципиальная схема реализации способа управления применительно к многосекционному колонному биореактору.

Объект управления — многостадийный процесс аэробного выращивания клеток, осуществляемый в N стадиях, куда поступают технологические потоки 1-Nàýðèðóþщий газ, питательная среда и отводятся потоки суспензии микроорганизмов и отработанного газа.

Способ осуществляют следующим .образом. .Непрерывно измеряют концентрации биомассы, субстрата и растворенного кислоро5

55 да на каждой стадии процесса и по ним осуществляют расчет скорости образования биомассы на каждой стадии, например, в логическом блоке вычисления R"-. Затем производят сравнение полученных значений для каждой стадии и выбор минимальных R я и максимальных R значений скорости роста. Одновременно измеряют расход аэрирующего газа и общего потока. Первоначально соотношения укаэанных потоков выбирают преимущественно в диапазоне

5 — 30 кг газа/кг жидкости, а величину потока на каждую стадию определяют по соотношению

Ф= — —:

N-1 (1) где i изменяется от 2 до N.

В последующем при изменении концентраций микроорганизмов, субстрата и растворенного кислорода и соответственно скоростей роста на каждой стадии определяют стадии с Кщ и К ц с и в блоке выработки

X х управляющих сигналов, корректируют величину потока на i-ю стадию ® по зависимости х ц;= „К; (2) а соотношение расхода аэрирующего газа и общего потока среды регулируют по зависимости

Qa ав + 7R ф (3) где K- коэффициент, зависящий от выращиваемого штамма микроорганизмов и субстрата (в частности, при выращивании дрожжей на и-парафинах К = 2,98) .

При этом отношение Яв/Q рекомендуется регулировать в диапазоне 5 — 30кг/кг, поскольку величина отношения Qa/Qg менее 5 не обеспечивает требуемой аэрации среды, а при более 30 затраты энергии неоправданно возрастают.

Таким образом, используя предлагаемый способ, удается поддерживать продуктивность процесса на максимальном уровне.

Предлагаемый способ может быть реализован при многостадийном выращивании микроорганизмов, например, в батарее последовательно соединенных аппаратов различной конструкции или в многосекционном колонном биореакторе.

Колонный секционированный биореактор состоит из трех секций (стадий), на вход поступают технологические потоки 1 — 1Чаэрирующий газ, поток, содержащий питательную среду и субстрат, и отводятся потоки суспензии микроорганизмов и отработанного газа, при этом циркуляционный потокЧ, содержащий питательную среду, субстрат и суспензию микроорганизмов, распределяется по секциям колонны.

Регулирование основных параметров культивирования (рН, температуры, давле1149230

40

55 ния), в аппарате осуществляется с помощью систем локального регулирования. Текущие значения концентрации биомассы в биореакторе 1 измеряют датчиками 2i (i = 1,3), субстрата — датчиками 31(1= 1,3), растворенного кислорода — датчиками 4i (i = 1,3), затем сигналы от датчиков 21 — 41 поступают в логический блок 5, где осуществляется

Х расчет скорости образования биомассы К; в каждой секции аппарата и проверяются значения концентрации растворенного кислорода на критическое значение и концентрации субстрата на выходе из последней секции на допустимое значение. Полученные значения скорости образования биомассы направляют в логический блок 6, где значения скорости образования биомассы по секциям сравнивают друг с другом для выбора секций с минимальной и максимальной скоростями образования биомассы, а также запоминаются максимальная и минимальная скорости образования биомассы.

Номера секций и значения скоростей образования в них направляют в блок 7 выработки управляющих сигналов, в последнем происходит расчет величин потока в каждую секцию Qi по формуле (2), соотношения расхода аэрирующего газа и общего циркуляционного потока по формуле (3) с учетом сигналов, полученных от логических блоков

5 и 6 и показателей датчика 8 расхода общего циркуляционного потока и датчика 9 расхода аэрирующего газа. При .этом, если поступает сигнал с логического блока 5 об уменьшении концентрации растворенного кислорода ниже критической, то в блоке 7 вырабатывается управляющий сигнал об увеличении расхода аэрирующего газа, а значение общего циркуляционного потока оставляют неизменным. Если поступает сигнал о превышении остаточной концентрации субстрата выше допустимого значения, то в блоке 7 управляющих сигналов вырабатывается сигнал об увеличении циркуляционного потока при неизменном расходе аэрирующего газа в соответствии с рассчитанным соотношением Qy/Q». Блок 7 выработки управляющих сигналов направляет на регуляторы 10i(i=2, 3) рассчитанные значения потока по секциям, на регулятор 11 — рассчитанное значение общего циркуляционного потока,на регулятор 12 — рассчитанное значение потока аэрирующего газа. Сигналы с регуляторов 10i поступают на исполнительные механизмы 13i, установленные на линии подачи потока по секциям, с регулятора 11на исполнительный механизм 14 на линии общего потока, с регулятора 12 — на исполнительный механизм 15 на линии подачи аэрирующего газа.

Пример. В трехсекционном колонном био. реакторе осуществляют многостадийный процесс выращивания аэробных микроорганизмов — дрожжей рода Candida Sake на углеводородном субстрате, и-парафине. Питательная среда содержит минеральные соли в концентрациях, г/л: КС1 0,6; MgSO40,66, АБО 7НдО 0,1; МпЬО.р 5Н О 0,3; ZnS04" х7Н О 0,3; (NH4QSOq (20 /,) 7,5 мл/л. Исходная концентрация парафина 30 г/л. Среднее время пребывания микроорганизмов в биореакторе 4 ч, температура среды в аппарате 32 — 34 С, PH среды 4,0 — 4,2. Начальное соотношение Q>/Q» принимается равным 10 кг/кг, а значения Qq составляют

©=Qq=0,5Q» по формуле (1). Датчиками

2i, 3i и 4i по секциям колонного биореактора зафиксированы в ходе процесса следующие показания:

2i — концентрация биомассы i = 1 — 18,9 г/л;

i=2 — 25 3 г/л; i=3 — 26,8 г/л; Çi — концентрация субстрата i = 1 — 9,2 г/л; i =2 — 3,6 г/л;

i =3 — 0,5 г/л; 4i — концентрация растворенного кислорода i = I — 0,15 мг/л; i =2—

3 6; i = 3 — 4,2 м г/л.

Соответствующие значения скорости образования биомассы по секциям Rf составляют, г/л: R",=7,1; 1ф =1,9; К"=0;3.

Учитывая, что в данный момент времени (поступление сигналов с датчиков 2i, Çi, 4i) концентрация растворенного кислорода меньше критического значения (C

Яэ=0,136Я», Qy = 0,864Q»..

Указанные значения поступают в виде управляющих сигналов на регулятор 10i и исполнительные механизмы 13i. Таким образом, осуществляется автоматическое управление общим расходом питательной среды, распределением потока по секциям стадиям процесса и регулирование соотношения расходов воздуха и среды в колонном биореакторе. Применение предложенного способа управления позволяет получить среднюю продуктивность процесса выращивания биомассы 5,4 кг/м - ч, что на 9 /p выше средней продуктивности в контрольном опыте.

Таким образом, использование предлагаемого способа автоматического управления процессом позволяет увеличить продуктивность непрерывного многостадийного процесса и обеспечивает возможность непре1149230

Составитель Г. Богачева

Техред И. Верес Корректор Н. Король

Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, ж — 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП <Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор И. Николайчук

Заказ 2430 рывного вычисления и определение оптимальных управляющих воздействий, регулирование соотношения потоков аэрирующего воздуха и питательной среды и распределение общего потока питательной среды по стадиям, что обеспечивает поддержание максимальной продуктивности автоматически.