Система управления процессом культивирования микроорганизмов

 

Изобретение относится к микробиологической промьшленности при производстве белково-витаминных концентратов , ферментов, антибиотиков. Цель изобретения состоит в повышении производительности ферментера за счет использования в работе системы управления текущей информации с ферментации , увеличивая тем самым точность управления, а следовательно, и выход биомассы. Система дополнительно снабжена последовательно (Л со ел со sl оо N)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.ЗК„1359773 A 2 (50 4 С 05 D, 7 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (57) Изобретение относится к микробиологической промьппленности при производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков.

Цель изобретения состоит в повышении производительности ферментера sa счет использования в работе системы управления текущей информации с ферментации, увеличивая тем самым точность управления, а следовательно, и выход биомассы. Система дополнительно снабжена последовательно (61) 635736 (21) 3939398/28-13 .(22) 30.07.85 (46) 15.12.87. Бюл. У 46 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ (72) К.А.Яновский В.И.Шихер, Ю.Г.Козлов, Б.П.Пантелеев, В.А.Маркелов, А.Ю.Винаров, Ю.M.Áàðàáîøêèí, . В.М.Черный-Галафре и С.В.Кан (53) 663.15(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 635736., кл. G 05 D 27/00, 1976.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1359773

15

30 соединенными блоком 13 индентификации параметров модели, блоком 14 оптимизации и сумматором 15, при этом один из входов блока 13 идентификации связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, другой — с выходом вычислителя 9 морфологических признаков, третйй - с устройством 7 ввода данных химического анализа, причем второй вход сумматора

15 соединен с выходом блока 11 формирования сигналов коррекции, а выход сумматора 15 посредством ключа

12 управления соединен с .пультом 5 управления и блоком 3 суммирования.

При этом на вход блока 13 идентификации из вычислителя 9 поступают значения морфологических параметров, а .с устройства 7 — значения концент1

Изобретение относится к микробиологии, в частности к системам управления процессом культивирования микроорганизмов, используемым в производстве белково-витаминных концентратов (БВК), ферментов, антибиотиков.

По основному авт. св. - 635736, известна система управления процессом культивирования микроорганизмов, включающая ферментер, пульт управления, блок датчиков контролируемых параметров, связанный с первым входом пульта управления, устройство ввода данных химического анализа, связан-. ное с вторым входом пульта управления, блок начальных уставок управляемых параметров, блок исполнитель= ных механизмов и блок суммирования, к одному входу которого подключен пульт управления, второй вход соединен с блоком начальных уставок управ.ляемых параметров, а выход — с блоком исполнительных механизмов, блок сканирующих микроскопов, вычислитель морфологических признаков, блок памяти, блок формирования сигналов коррекции, при этом к входам блока памяти подключены блок датчиков конт.ролируемых параметров, устройство раций биомассы, остаточных углеводо-родов, фосфора, азота и из блока 2— .расходы компонентов питания углеводородного, фосфора, азота, скорости разведения и объема аппарата, где рассчитываются коэффициенты математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры и параметров среды путем минимизации суммы квадратов разностей экспериментальных и теоретических, рассчитанных по модели в блоке 13. С блока 13 сигналы поступают на блок 14 оптими-, зации и затем на сумматор 15, где рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания и скорости разбавления таким образом, чтобы обеспечить минимум заданного критерия. 1 ил.

2 ввода данных химического анализа, пульт управления и вычислитель морфологических признаков, один из входов которого соединен с первым выходом блока памяти, второй вход через блок .сканирующих микроскопов связан с ферментером, а второй выход — с пультом управления, второй выход блока памяти подсоединен к блоку формиров ания сигналов коррекции, входы которого соединены с блоком датчиков контролируемых параметров, вычислителем морфологических признаков, устройством ввода данных химического анализа, а выход блока формирования сигналов коррекции посредством ключа управления соединен с пультом управления и блоком суммирования.

Цель изобретения — повьппение производительности ферментера.

На чертеже изображена структурная схема системы управления процессом культивирования микроорганизмов.

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментизации, блока

3 суммирования, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок управляемых параметров, устройства 7 ввода з 1359773 данных химического анализа, .блока 8 в сканирующих микроскопов, вычислителя z

9 отличительных морфологических и л статистических признаков культуры 5 б микроорганизмов, блока 10 памяти от- с личительных признаков процесса фер- Т ментации,и удовлетворительных реше- д ний технолога для них на изменение управляемых параметров, блока 11 10 формирования сигналов коррекции упт равляемых параметров, ключа 12 упЦ равления, блока 13 идентификации па- к раметров модели, блока 14 оптимизат ции и сумматора 15. 15 т

Секции ферментера 1 соединены с т блоком 8 сканирующих микроскопов, п на выходе которых датчики оптической т плотности (не показаны) соединены с первым входом вычислителя 9 морфоло 20 з гических признаков культуры микро- У организмов, второй вход которого соединен с выходом блока <0 памяти. В последнем записаны удовлетворительные решения на изменение управляемых па- 25 раметров, а также отличительные моршологические и статистические признаки

40

55 культуры микроорганизмов, на основании которых ранее были приняты удовлетворительные решения, улучшившие экономические показатели процесса ферментации (количества и качества продукта). В блок 10 памяти поступают также данные с блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса феоментации и с устройства 7 ввода данных химического анализа. Выход блока 10 соединен с входом блока 11 формирования сигналов коррекции, на вход которого поступают данные с блока 2, устройства 7 и вычислителя 9.

На входы блока 13 идентификации параметров модели поступают данные с вычислителя 9, с блока 2 датчиков контролируемых параметров и с устройства 7 ввода данных химического анализа. Выход блока идентификации параметров модели подключен к блоку

14 оптимизации, выход последнего подключен к входу сумматора 15, на другой вход которого поступают данные из блока 11 формирования сигналов коррекции.

Выход сумматора 15 посредством ключа 12 управления соединен с пультом 5 управления и блоком 3 суммирования. Выход пульта 5 управления соединен с входом блока 3 суммироания и входом блока 10 памяти. Выод блока 6 начальных уставок управяемых параметров соединен с входом лока 3 суммирования, выход которого оединен с входом блока 4 исполниельных механизмов, .изменяющих поачу компонентов в ферментер 1.

Блок 13 идентификации параметров одели, блок 14 оптимизации и суммаор 15 составляют локально-оптимизаионную часть системы управления, оторая в своей работе использует екущую информацию о ферментации и ем самым увеличивает точность рабан системы в целом, а следовательно, овышает производительность ферменера.

В случае отказа локально-оптимиационная часть полностью переведет правление процессом на себя.

Система работает следующим обраом.

Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12 усанавливают в нейтральное положение.

На пульт 5 управления и в блок 10 памяти поступают данные с блока 2 датчиков контролируемых физико-хими30 ческих параметров, с вычислителя 9 отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7. По этим данным с пульта 5 управления принимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6.

Значения величины и знака изменений подачи в ферментер 1 компонентов, регулирующих эти параметры, поступают с пульта 5 управления в блок 10 памяти, где они записываются на одну страницу рядом с данными бло45 .ка 2 устройства 7 и вычислителя 9,для которых принято решение на изменение параметров.

Если решение положительно, то эта страница с данными блока 2 устройства 7 и вычислителя 9 и соответствующим решением на изменение величины и знака компонента остается в блоке

10 памяти.

Если решение отрицательно, в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из памяти. На этой же странице записывается, во сколько pas

1359773 увеличивается экономический показатель °

С заданным дискретом по времени . описанный цикл повторяется. Из набранных страниц для данного типа сырья например парафина,в блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения величины на изменение компонента и получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти.

При обучении нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обраба. тывать реально текущие процессы. По

E окончании обучения, проходящего в те; чение некоторого времени Т (недели, месяцы), производят математическую обработку полученных результатов (выбор метрики, весовых коэффициентов и т.д.), а затем ключ 12 ставят в такое положение, что система работает в режиме "советчика" (полуавтомата) следующим образом.

Текущие данные с блока 2, устройства 7 и вычислителя 9 (т.е. существенно-информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигналов коррекции, где они сравниваются по одному из алгоритмов распознавания образов с данными, записанными на страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями.

Блок 11 выбирает из блока 10 памяти данные той страницы книги для заданного типа сырья, которые ближе всего к данным текущего процесса, и с этой страницы берется записанное ранее положительное решение на изменение корректирующих значений изменений регулирующих параметров.

Если в режиме "советчика" система работает удовлетворительно, то ключ

12 ставится в положение, при котором система переводится в автоматический режим работы, причем удовлетворительной считается такая работа системы, когда при выполнении ее команд ("советов") экономический показатель не ниже того, который записан на страни-. це памяти. В случае, если он оказывается выше, прежняя страница стирается и для данного показателя записываются новые данные и решения по ним.

В качестве существенно-информационных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в

В блоке 13 идентификации рассчиты-. ваются коэффициенты математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры (ИФ-параметры) и параметры среды (S, N, P) путем минимизации суммы квадратов разности экспериментальных (за несколько часов, порядок 10 ч) и теоретических рассчитанных по модели в блоке идентификации значений Х, S, Н, Р. блок 10 памяти, при проведении реаль-. ного процесса на заводе принимаются показания датчиков контролируемых параметров по всей технологической линии процесса ферментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов, вклю10 чений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из необходимых точек технологической линии процесса ферментации.

Морфологические параметры (МФ-па-, раметры) включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т.д., причем в качестве признаков принимаются статистические характеристики этих параметров, статистические ха- рактеристики культуры микроорганизсов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа, данные химического ана25 лиза с устройства 7. Система управления процессом ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного оптимального.

Введенная локальная оптимизация (последовательно соединенные блоки

13-14 идентификации параметров модели и оптимизации, сумматор 15) уточняют и дополняют работу систему упЗ5 р"л ни"

Система управления работает следующим образом.

На вход 13 блока идентификации иэ вычислителя 9 поступают значения МФ40 параметров, с,устрбйства 7 — значения. концентраций биомассы (Х), остаточных углеводородов (S), фосфора (Р О ), азота (И), а из блока 2 — расходы компонентов питания углеводорода

45 ($,), фосфора (Р,), азота (Хд), скорости разведения (О), объем аппарата (v) .

1359773

На вход блока 14 оптймизации поступают с блока 13 идентификации текущие значения коэффициентов математической модели и затем в сумматоре

15 рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания (S, N

Р ) и скорости разведения (Э) таким образом, чтобы обеспечить, минимум заданного критерия. 10

Например, критерия

К1 корр 2 оп ц

) +

m g (где U корр

ВО So (— )

<х х

К, и

К вЂ” удельные коэффициенты.

В случае отказа обучающейся части

2S К -О.

Предлагаемая система может рабо-, 11 II тать как в режиме советчика так и в автоматическом режиме, для чего ключ 12 ставят в необходимое задан-. (— ) х,.„ — (— ) х (— )

Х зад

Ро

К4

О

З0 ное положение.

Обучающаяся часть системы использует в своей работе информацию о процессе, полученную в течение ограниченного отрезка времени (недели, месяца).

На производстве в процессе ферментации довольно часто (4-6 раз в сутки) возникает ситуация, ранее не встречавшаяся, и в этом случае обучаю

40 щаяся часть системы дает отказ. Использование системы локальной оптимизации ликвидирует возможность отказов, так как эта подсистема использует лишь текущую информацию о про45 цессе ферментации, за счет чего увеличивается производительность процесса на 10,9Х.

PS ЯзБ 2 - 1

,ãäå g; (в(х)д .

Во

Х за 4, N,.

Х э" А

: „- -) „50

Система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере по авт. св. У 635736, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что, с целью

55 повьппения производительности ферментера, система дополнительно снабжена. последовательно соединенными блоком идентификации параметров модели, блоком оптимизации и сумматором, при, S,, Я

О P, Р P

П2 2 2

О, N,

+ р,я-Г,, ни, РР +4 весовые коэффициенты, заданные номинальные значения, нижнее и верхнее регламентные значенйя концентраций остаточных углеводородов, Р,, Р

Б,,N — нижнее и верхнее регламентные значения кенцентрации фосфора и азота, Р1,6-, — константы.

С блока 14 оптимизации сигналы коррекции поступают на сумматор 15, на другой вход которого поступают сигнал, управления U, получаемый

0Б Ч в блоке 11. В сумматоре 15 происходит сложение этих сигналов с соответствующими удельными весами и вырабатывается общий сигнал управления общий сигнал управления, сигнал управления, получаемый локально-оптимизационной частью системы, сигнал управления, получаемый обучающейся частью система, Формула изобретения

Составитель Л.Богачева

Техред А.Кравчук Корректор N.Äåì÷èê

Редактор А.Лежнина

Заказ 6152/49

Тираж 863 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 135977 этом один из входов блока идентификации связан с блоком датчиков контролируемых параметров, другой — с выходом вычислителя морфологических

5 признаков, третйй — с устройством ввода данных химического анализа, 3 IO причем второй вход сумматора соединен с выходом блока формирования сигналов коррекции, а выход сумматора посредством ключа управления соединен с пультом управления и блоком суммирования.