Система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может найти применение при производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков и т.д. Изобретение направлено на повышение производительности ферментера при одновременном снижении расхода компонентов питания. Система дополнительно снабжена блоком 21 пороговых значений степени вакуолизации, последовательно соединенными блоком 16 определения процентного содержания активных клеток и блоком 17 умножения, последовательно подключенными блоком 18 определения степени вакуолизации клеток, блоком 19 сравнения и блоком 20 коррекции по вакуолизации. При работе системы контроль за степенью вакуолизации клеток позволяет формировать дополнительный корректирующий сигнал, обеспечивающий изменение подачи компонентов питания с целью оптимизации. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

15ц 4 G 05 D 27./00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (61) 1359773 (21) 4269819/30-13 (22) 11.05.87 (46) 15,10.89. Бюл, В 38 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ (72) E ..А, Яновский, В,И, Шихер, В.А. Маркелов, А.Ю, Варьяш, А.Ю. Винаров, Б,П, Пантелеев, Ю.Г. Козлов, А.Г. Бескоровайный, О.В, Великанов, Г,В, Лавренов, А,П, Ткаченко, Н.Д,Берестенникова и Н,М. Логинова (53) 663.15(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

11- 1359773, кл. G 05 D 27/00, 1985, (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ В

ФЕРМЕНТЕРЕ (57) Изобретение относится к микробиологической промышленности и может

ÄÄSUÄÄ 1515150 А 2 найти применение при производстве белково-витаминных концентратов > ферментов, антибиотиков и т,д, Изобретение направлено на повышение производительности ферментера при одновременном снижении расхода компонентов питания. Система дополнительно снабжена блоком 21 пороговых значений сто. ени вакуолизации, последователь° íî соединенными блоком 16 определения процентного содержания активных клеток и блоком 17 умножения, последовательно подключенными блоком 18 определения степени вакуолизации клеток, блоком 19 сравнения и блоком 20 коррекции по вакуолизации, При работе системы контроль за степенью вакуолизации клеток позволяет формировать дополнительный корректирующий сигнал, обеспечивающий изменение подачи компонентов питания с целью оптимизации.

1 ил.

3 15151

11эо!>рс тение относится к микробиолоГиче кой пpc>IIbllllëå!! ности 11 может найти применение на заводах белковопитаминных концентратов, фермеlп ов, антибиотик Ов, в производствах, связанных с культивированием микроорганизл!Ов, Цель изобретения — увеличение производительности ферментера, На чертеже изображена структурная схема предлагаемой системы управления процессом культивирования микроорга-, низмов.

Система состоит иэ ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3 суммирования, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок управляемых 20 параметров, устройства 7 ввода данн111х химического анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9 отличительных морфологических и статистическ!!х признаков культуры 25 микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков процесса ферментации и удовлетворительных решений технолога для них на изменение управляемых параметров, блока 11 11>ор- 30 мирования сигналов коррекции упрllU:èемых параметров, ключа 1 2 уп1а»11с!!ия. блока 13 идентифик, ции парамет» > 1 л. одели, блока 14 оптимизации, с «1. с, 15, блока 16 определе1!ия проц=.,1 ! содержания активных кл"ток, бл умножения, блока 18 определения тепени вакуолизации клеток, блока 19 сравнения, блока 20 коррекции по вакуолизации и блока 21 пороговых эна- 40 чений степени вакуолизации.

Секции ферментера l соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которых датчики оптичесКОЙ плОтнОсти (не показаны) соеди 45 иены с первым входом вычислители 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя. 9 соединен с выходом блока

10 памяти ° В блоке 10 памяти записа50 ны удовлетворительные решения на изменение управляемых параметров, а также отличительные морфологические и статистические признаки культуры микроорганизмов, а основашш которых

55 ранее были приняты удовлетворительные решения, улучшпишие экономические показатели т1роцесса ферментации (количества и качества продукта), В блок

50 4

10 памяти поступ:1ют также данные с блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации и с блока 7 ввода данных химического анализа. Выход бл! ка 10 соединен с входом блока 11 формирования сигналов коррек ц11и, на вход которого поступают данные с блока 2, устройства 7 и вычислителя 9. Выход блока 11 формирования сигналов коррекции соединен через сумматор 15, ключ 12 пульта

5 управления с блоком 3 суммирования. Один из входов блока 13 идентификации связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, другой— с выходом вычислителя 9 морфологических признаков, трети и — с устройством 7 ввода данных химическогc> ана— пиза, а выход б;!ока 13 идентификации параметров модели связан с входом блока 14 оптимизации, выход которогс соединен с входом сум>!атора 15, другой вход сумматора 15 соединен с выходом блока 11 формирования сигналов коррекции, а вь>ход сумматора 15 посредством клича 1) управления соединен с пультом 5 управления и блоком

3 суммирования. Блок )6 определения пропецт!!ого содержания JKTHBHblx кле..эк соединен с выходом вычислителя отличительных морфологических и

- 1т, с i ических признаков культуры л> cj >организмов, а выход блока 16

tl р: делен!я процентного содержания

:к Г11вных клеток связан с входом блока !7 умножения, другой вход котороГО подключен к выходу устройства 7 ввода данных химического анализа, второй же выход блока 17 умножения связан с входом блока 14 оптимизации.

К выходу вычислителя 9 отличительных морфологических и статистических признаков культуры, микроорганизмов подсоединены последовательно соединенные блок 18 определения степени вакуолизации клеток, блок 19 сравнения и блок 20 коррекции по вакуолизацни, который подсоединен к входу сумматора 15 ° 1c блоку 19 сравнения подключен блок 21 пороговых значений степени вакуолиэации, Выход пульта 5 управления соединен с входом блока 3 суммирования и с входом блока 10 памяти, Выход блока 6 начальных уставок управляемых параметров соединен с входом блока 3 суммирования, выход которого соединен с входом блока 4 исполни1515150 тельных механи: мов, изменяющих подачу компонентов в ферментер 1.

Система управления работает следующим образом.

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

На пульт 5 управления и в блок 10 памяти поступают данные с блока 2 датчиков контролируемых физико-химических 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 изменения 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 блока 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 оста10

20

30 ется в блоке 10 памяти. Если решение отрицательно в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качест35 получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти.

При обучении нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обрабатывать реально текущие процессы. После обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели, месяцы) производится математическая обработка полученных результатов (выбор метрики, весовых коэффициентов и т,д,), с ва, то страница стирается из памяти.

На этой же странице записывается, во сколько раз увеличивается экономический показатель. 40

С заданным дискретом по времени описанный цикл повторяется и из набранных страниц для данного типа сырья, например парафина, в блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения 45 величины на изменение компонента и а затем ключ 12 ставится l3 такое IIo— ложение, что система работает в режи= ме 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 pac— познавания 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 берутся записанные ранее положительные решения на изменение корректирующих значений изменений регулирующих параметров, В этом случае, если в режиме "советчика" система работает удовлетворительно, 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 странице памяти. В случае, если он оказывается выше, прежняя страница стирается и для даныого показателя записываются новые данные и решения по ним, В качестве существенно-информационных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 памяти, при проведении реального процесса на заводе принимаются показания датчиков контролируемых параметров по всех технологической линии процесса ферментации и морфологические параметры, определяемыи вычислителем 9, культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов, включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из необходимых точек технологической линии процесса ферментации.

Морфологические параметры включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т.д,, причем в качестве признаков принимаются статистические характеристики этих параметров.

Система управления процессом ферментации приходит в равновесие, ког1515150 да признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного, Критерий оптимизации в системе управления, т, е. максимум продуктивности находят »е по концентрации биомассы Х, а по концентрации активных клеток (максимум Д Х с,,) при минимуме расходных коэффициентов по комтгонентам питания. Процентное содержание активньгх клеток X „„, определяется в блоке 1 6 одним из известных методов, . например, по статистическим характеристикам распределения амплитуд опти— ческой плотности цитоплаэмы клеток, а степень вакуолизации определяется в блоке 18 по соотношению площади вакуоли к площади всей клетки, рассчитываемым по данным о морфолого-фиразом: (ПХ )згг ) +

=Ы, D (Xz) эм г

Бо Бс Ро о (с (Х Х -«а Х вЂ” )+а(S (— ),„„A (Х

Ро

)Зю4 1

)„„45 о

1 1 о No

X Х 4 1 1 ) ° (— ),.„ где Х вЂ” концентрация биомассы;

Х „— процент активных клеток, получаемый на выходе блока 16;

ЛХ„ — продуктивность по концентрации активных клеток, получаемая на выходе блока 1?;

50 о, 1о

У зиологических параметрах клетки, вычисляемых в вычислителе 9. В блоке

17 умножения процентное содержание активных клеток Х, умножается на значение концентрации биомассы Х, по— ступаемое с устройства 7. Полученное 25 в блоке 17 умножения значение кон.центрации активных клеток поступает в блок 14 оптимггзации, В блоке 14 оп— тимизации сменен критерий оптимизации, вместо мггггимуг:г произведения 30 концентрации биомас ьг на скорость разведения ДХ, как в известпои с„стгме, введен критерий по максимуму пр=изведенггя концентрации активных кле ток на скорость разделения (ДХ,„„ ).

Таким образом, в предлагаемой системе в отличие от прототипа изменен критерий оптимизации, который в данном случае запишется следующим обN„

Х расходные коэффициенты по парафину, фосфору, азоту.

Однако ввиду того, что концентрация активных клеток Х изменяется во времени раньше, чем концентрация биомассы Х, целесообразнее в системе оптимизации использовать Х, а не

Х, что приводит к уменьшению запаздывания в системе, а следовательно, к

So улучшению показателей ДХ и—

На входе блока 13 идентификации из вычислителя 9 поступают значения морфолого-физиологических параметров, а также с устройства 7 значения концентраций биомассы Х, остаточных углеводородов Б, фосфора Го0,, азота

N, а также из блока расхода компонентов питания углеводородного S,, фосфора Р, азота N, скорости разведения D, объема аппарата

В блоке 13 идентификации рассчитываются коэффициенты математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры (МФ-параметры) и параметров среды (Б, N, Р} путем минимизации суммы квадрата разностей экспериментальных (за несколько часов, порядка 10 ч) и теор тических, рассчитанных по модели в блоке идентификации, значений Х, S N P. !

На вход блока 14 оптимизации поступают с блока 13 идентификации текущие значения коэффициентов математической модели и с блока 17 умножения значения концентрации активных клеток, и затем в блоке 14 рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания 8, 11, Р, и скорости разведения D таким образом, чтобы обеспечить минимум расходного коэффициента и максимум произведения концентрации активных клеток на скорость разведения (D Х „ — продуктивность по активным клеткам).

В зависимости от штамма микроорганизмов в блоке 21 пороговых значений степени вакуолизации задаются нижний

В„ и верхний Б пороги степени вакуолизации В, которые сравниваются в блоке 19 сравнения с текущим значением В.г (в данный момент времени) степени вакуолиэации, определяемой в блоке 18 степени вакуолиэации. Если

В СВ„, то подача компонентов питания увеличивается на заданную в блоке 20

1515150

Ф о р м у л а и . . o б р е т е н и я

Составитель С. Петровых

Редактор M. Циткина Техред А,Кравчук, Корректор М, Васильева

Заказ 6276/45 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретенияи и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 коррекции по вакуолизации величину

hU „ если В В„, то подача уменьшается на заданцую в блоке 20 величину

dU, если же Б„ В В, то Л U=O. Сиг-. нал коррекции по степени вакуолизации поступает на вход сумматора 15.

Например, для штамма ВСВ-569 Candida maltosa при В(1,57 подача компонентов питания Гпарафина ) увеличива- 10 ется на ?О кг/ч, при В)57 подача питания уменьшается на 20 кг/ч, На другой вход сумматора 15 поступают сигналы коррекции с блока 14 оптимизации. На третий вход сумматора 15

15 поступает сигнал управления, получаемый в блоке 11. В су.;маторе 15 происходит сложение этих сигналов с соответствующими удельными весами и вырабатывается общий сигнал управ- 20 ления.

Данная система может работать как в режиме "советчика", так и в автоматическом режиме, для чего ключ 12 ставится в необходимое заданное по- 25 ложение.

Данная система приводит к улучшению состояния культуры, за счет чего увеличивается выход биомассы на

7,87 (с 2 6 до 2,8 г/л ч) и уменьша- 30 ется расход компоне :т,E! британия на

IX (с 1150 до 1138 кг/т БВК), Система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере по авт ° св. 11 1359773, отличающаяся тем, что, с целью увеличения производительности ферментера, система дополнительно снабжена блоком пороговых значений степени вакуолизации, последовательно соединенными блоком определения процентного содержания активных клеток и блоком умножения, последовательно подключенными блоком определения степени вакуолизации клеток, блоком сравнения и блоком коррекции по вакуолизации, при этом один из выходов вычислителя морфологических признаков связан с входами блоков определения процентного содержания активных клеток и степени вакуолизации клеток, выход устройства ввода данных химического анализа соединен с вторым входом блока умножения, выход последнего подключен к входу блока оптимизации, а выход блока коррекции по вакуолизации подключен на вход сумматора, причем второй вход блока сравнения соединен с блоком пороговых значений степени вакуолизации.