Система управления процессом культивирования микроорганизмов

 

Изобретение может быть использовано в производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков. Цель - увеличение выхода биомассы. Изобретение является дополнительным к авт.св. N 1359773 и дополнительно содержит блоки идентификации параметров модели активности, определения удельных скоростей роста по морфологическим параметрам и по параметрам среды, суммирования удельных скоростей роста микроорганизмов, определения производной остаточных углеводородов, сравнения, вычисления активности клеток, что позволяет более правильно скорректировать процесс биосинтеза за счет более точного и раннего определения удельной скорости роста популяции и приводит к улучшению состояния культуры, за счет чего увеличивается выход биомассы. В блоке 16 вычисления активности клеток клетки по морфолого-физиологическим признакам по данным с вычислителя 9 разбиваются на группы: активные, ослабленные, мертвые. Значения последних поступают в блоки 17, 18 идентификации параметров модели активности и определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, где происходит определение удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам. В блоке 19 удельная скорость роста определяется по традиционным методам, например по модели Моно-Иерусалимского, по данным о параметрах среды с блока 2. В блоке 20 суммирования происходит сложение удельных скоростей с соответствующими весовыми коэффициентами, которые корректируются с блока 21 сравнения, на вход которого поступают значения производной остаточных углеводородов с блока 22 и углеводородов по данным химанализа с устройства 7. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) (51)5 G 05 D 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

f10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1359773 (21) 4375706/30-13 (22) 08.01.88 (46) 07.04,90. Бюл, )) 13 (7!) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ и Институт микробиологии АН СССР (72) К,А,Яновский, В.И,Шихер, И,Н,Позмогова, А,Ю,Винаров, Н,Д,Берестенникова, В,А,Маркелов, А,Ю,Варьяш, Б,П,Пантелеев, Е,Г.Назеева, В,И,Грищенко, А,Л,Локотко, А,Р,Степневский, В,В,Кузин и Н.М,Логинова (53) 663,15(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1359773, кл. G 05 D 7/00, !985, 2 (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (57) Изобретение может быть использовано в производстве 6елково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, Цель - увеличение выхода биомассы, Изобретение является допол" нительным к авт, св . М 1359773 и дополнительно содержит блоки идентификации параметров модели активности, определения удельных скоростей роста по морфологическим параметрам и по пораметрам среды, суммирования удельных скоростей роста микроорганизмов, определения производной остаточных углеводородов, сравнения, вычисления активности клеток, что позволяет бо

1555698

55 лее правильно скорректировать процесс биосинтеза за счет более точного и раннего определения удельной скорости роста популяции и приводит к улучшению состояния культуры, за счет чего увеличивается выход биомассы, В блоке 16 вычисления активности клеток клетки по морфологофизиологическим признакам по данным с вычислителя 9 разбиваются на группы: активные, ослабленные, мертвые, Значения последних поступают в блоки

1?, 18 идентификации параметров модели активности и определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, где происИзобретение относится к микробиологической промышленности и может найти применение на заводах белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием

Ю микроорганизмов и является усовершенствованием изобретения по авт.св, Р 1359773, Цель изобретения — увеличение выхода биомассы, На чертеже изображена структурная схема системы управления процессом культивирования микроорганизмов.

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3 суммирования, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок управляемых параметров, устройства ? ввода данных химического анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9 отличительных морфологических и статистических признаков культуры микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков процесса ферментации и удовлетворительных решений технолога для них на изменение управляемых параметров, блока 1.1 формирования сигналов коррекции управляемых параметров, ключа 12 управления, блока

13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза, блока 14 оптимизации, сумматора 15, блока 16 вычисления активности клеток, блока 17 идентификации модели активности, блока 18 определения удельной ско25

50 ходит определение удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, В блоке 19 удельная скорость роста определяется по традиционным методам, например по модели

Моно-Иерусалимского, по данным о параметрах среды с блока 2, В блоке 20 суммирования происходит сложение удельных скоростей с соответствующими весовыми коэффициентами, которые корректируются с блока 21 сравнения, на вход которого поступают значения производной остаточных углеводородов с блока 22 и углеводородов по данным химанализа с устройства 7, 1 ил. рости роота по морфолого-физиологическим параметрам, блока 19 определения удельной скорости роста по параметрам среды, блока 20 суммирования удельных скоростей роста, блока 21 сравнения, блока 22 определения производной остаточных углеводородов.

Секции ферментера 1 соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которого датчики оптической плотности (не указаны) соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя

9 соединен с выходом блока 10 памяти, второй выход блока 10 памяти подклю= чен к первому входу блока 11 формирования сигналов коррекции, Входы блока 10 памяти подключены к выходам блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, пульта 5 управления, устройства 7 ввода данных химического анализа и вычислителя 9, Входы блока формирования сигналов коррекции управляемых параметров также соединены с выходами блоков 2, 7 и вычислителя 9, Выход блока ll формирования сигналов коррекции соедин нен через сумматор 15, ключ 12 управления, пульт 5 управления с блоком 3 суммирования, Один из входов блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, другой - с выходом вы5 15 числителя 9 морфологических признаков культуры, третий — с устройством

7 ввода данных химического анализа, а выход блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеэа соединен через блок 14 оптимизации с входом сумматора 15, другой вход сумматора 15 подключен к выходу блока 11 формирования сигналов коррекции, Выход сумматора 15 посредством ключа 12 управления соединен с пультом 5 управления и блоком 3 суммирования, Пульт 5 управления подключен также к выходам устройства 7 ввода данных химического анализа и блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, Другой выход блока 2 датчиков контролируемых параметров соединен с блоком 3 суммирования, Выход пульта 5 управления соединен также с входом блока 3 сум мирования и входом блока 10 памяти, Выход блока 6 начальных уставок управляющих параметров соединен с входом блока 3 суммирования, выход которого подключен к входу блока 4 исполнительных механизмов, выходы последнего соединены с секциями ферментера 1, Секции ферментера 1 соединены также с блоком 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации.

Блок 16 вычисления активности клеток соединен с вычислителем 9 морфологических признаков, выход блока

16 вычисления активности клеток соединен с входами блока 1? идентификации параметров модели активности и блока 18 определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, второй вход блока 18 соединен с выходом блока 17. Блок 19 определения удельной скорости роста по параметрам среды соединен с блоI ком 2 датчиков контролируемых параметров, блок 20 суммирования удельных скоростей роста подключен к входу блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза, причем входы блока 20 суммирования подключены к выходам блоков 18 и 19 определения удельных скоростей роста по морфолого-физиологическим параметрам и по параметрам среды, а также к выходу блока 21 сравнения, Вход блока 21 сравнения подсоединен к выходу

55698 6

30 регулирующих эти параметры, поступают с пульта 5 управления в блок 10 памяти, где они записываются на одну страницу рядом с данными блоков 2, 35

7 и вычислителя 9 для которых nput нято решение на изменение параметров.

Если решение положительно, то эта страница с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9 и соответствующим реше4О нием 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

45 стирается из памяти, На этой же странице записывается во сколько раз увеличивается экономический показатель.

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 величины на изменение компонент и получаемые при этом положи55 тельные решения также записываются в блок 10 памяти, При обучении нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обраба5

20 блока 22 определения производной остаточных углеводородов, Входы блока 17 идентификации параметров модели активности, блока 22 определения производной остаточных углеводородов, блока 21 сравнения и блока 19 определения удельной скорости роста по параметрам среды подключены к выходу устройства 7 ввода данных химического анализа, Система работает следующим образом.

Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12 ус- . танавливается 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 при" нимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6.

Значения величины и знака изменений подачи в ферментер 1 компонентов, 1555698

30 тывать реально текущие процессы, После окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели, месяцы), производится математическая обработка полученных результатов (выбор метрики, высоких коэффициентов и т,д,), а затем ключ 12 ставится в такое положение, что система работает в режиме "советчика" 10 (полуавтомата) следующим образом, Текущие данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9 {т,е,, существенно информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигналов коррекции, где они сравниваются по одному из алгбритмов распознавания образов с данными, записанными на страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями, Блок 11 20 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, В случае, 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 вы- 35 полнении ее команд ("советов") экономический показатель не ниже того, который записан на странице памяти, В случае, если он оказывается вышее, то прежняя страница стираетсй и для 40 данного показателя записываются новые данные и решения по ним.

В качестве существенно информа= ционных признаков процесса фермевтации (классов), которые записываются 45 в блок 10 памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются показания датчиков контролируемых параметров по всей технологической линии процесса ферментации и 50 морфологические параметры (определяемые вычислителем 9),культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов, включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из неSo Бo (D 4cIA (Я ) 80 4 (xg (— — — — — -)+g (- )+g

< (m) д < 8 )

Х 4 обходимых точек технологической линии процесса ферментации, 1

Морфологические параметры включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т,д,, причем в качест." ве признаков принимаются статические характеристики этих параметров, статистические характеристики культуры микроорганизмов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа, данные химического анализа с устройства 7, Система управления процессом ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного оптимального, Введенная локальная оптимизация (блок 13 идентификации параметров модели, блок 1ч оптимизации и сумматор 15) уточняет и дополняет работу системы управления и работает следующим образом. На вход блока 13 идентификации из вычислителя 9 поступают значения МФ-параметров, с блока

7 - значения концентраций биомассы (Х), остаточных углеводородов (S) фосфора (Р О ), азота (N), а также из блока 2 - расходы компонентов питания углеводородного (S ), фосфора (P ), азота (N ), скорости разведения (D) объема аппарата (Ч), В блоке идентификации рассчитываются коэффициенты, в том числе математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры (МФ-параметры) и параметров среды (S, N, Р) путем ликвидации суммы квадрата разностей экспериментальных (за несколько часов, например 10 ч) и теоретических, рассчитанных по модели в блоке идентификации, значений

Ку р 1у Р °

На вход блока оптимизации поступают с блока идентификации текущие значения коэффициентов математической модели и затем в блоке рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания {8, Н, Р.) и скорости разведения (D) таким образом, чтобы обеспечить минимум заданного критерия, Например, на КОПЗ испытывается критерий

No - No Po Po

---(— )

Х Х Ум 4 Х Х 904 — -(— ) e.

---- †-) + (- ) +

Н. Р (Х ) 4 (Х ) 4

1555698

О,Р, Р Р2 Р+ 3 Р«Р, 0 ) И,(о,s«s

P(,P

1 12

p„3—

30 (В В 2 (- 1,$ +3, Б Б, N + где G, — весовые результаты;

8о No, (DX) (— ) (— .". (- -) — заданзцА Х s>Ai Х "зс(4, Х зад ные номинальные значения;

S S - нижнее и верхнее регламентные значения; концентрации остаточных углеводородов, фосфора, азота; константы, С блока оптимизации сигналы коррекции поступают на сумматор 15, На другой вход сумматора 15 поступает сигнал управления U ч получаемый на блоке 11. В сумматоре происходит сложение этих сигналов с соответствующими удельными весами и вырабатывается общий сигнал управления (U)

K(11к0 K2UO5$4 У где U — общий сигнал управления;

U „,с — сигнал управления, получаемый локально-оптимизационной частью системы;

11о „ — сигнал управления, получаемый обучающейся частью системы;

К(,K2- удельные коэффициенты, В случае отказа обучающейся части

К равно О, Описанная система может работать как в режиме советчика", так и в автоматическом режиме, для чего ключ

12 ставится в необходимое заданное положение, Обучающая 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) возникают ситуации, ранее не встречающиеся, В этом случае обучающая система дает отказ, Использование системы локальной оптимизации ликвидирует возможность отказов, так как эта подсистема не обладает ограниченной памятью и использует лишь текущую информацию о процессе фер ментации, В блоке 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза идентифицируются коэффициенты математической модели, в том числе удельная скорость роста микроорганизмов 1((, ОднаКо, в виде указанных причин (не10 стабильность процесса, случайная смена лимитирующего фактора) коэффициент р ттррееббууеет т ууттооччннеенниияя, Для этого морфолого-физиологические параметры с вычислителя 9 отличительных морфологичес: ах и статистических призна" ков культуры микроорганизмов поступают в блок 16 вычисления активности клеток, где все клетки разбиваются на группы (активные, ослабленные, 2р мертвые) по морфологическим признакам, Значения последних поступают .в блок 17 идентификации параметров модели по активности и в блок 18 определения удельной скорости роста по

25 .морфолого-физиологическим параметрам пропорционально относительному содержанию активных клеток, т,е, Таким образом определяют удельную скорость роста по морфологофизиологическим параметрам (U, В случае, если точно известно, 35 что лимитирование происходит по основному компоненту питания — углеводородному (УГВ), т,е. УГВ (УГВ заданного и процесс установившийся, (1 т.е. -- УГВ Я, то удельная ско40 рость роста определяется известным методом, например по модели МоноИерусалимского

Ймс(кс

45 1 " (К +Б) (К +S -S) где и„ „,,K,K — идентифицируемые параметры модели;

S — остаточные углеводороды (УГВ);

Б - входная концентрация парафина, В блоке 19 происходит определение удельной скорости роста по Моно55

Иерусалимскому, куда поступают данные о параметрах среды с блока датчиков контролируемых параметров и с устройства 7 ввода данных химического анализа с содержанием УГВ.

15556

Составитель В,Новиков

Техред А.Кравчук Корректор M-Самборская

Редактор Н.Тупица

Заказ 555 Тираж 664 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðoä, ул. Гагарина, 101

ll л.

1в

Значения р „,, с блока 18 и 0 „„ с блока 19 поступают в блок 20 сумми™ рования удельных скоростей роста с весовыми коэффициентами я» и g<, т.е. уточпенное значение р, используемое для коррекции процесса биосинтеза поступает в блок 13 идентификации па,раметров модели процесса биосинтеза, Коэффициенты д и g корректируют- 10 ся с блока 21 сравнения (управления весовыми коэффициентами), на вход которого поступают значения

УГВ с устройства 7 ввода данных сlt химического анализа, В блоке 21 текуd щие значения УГВ и — УГВ сравнивас1 г. ются с заданными значениями, Если текущие значения УГВ = (УГВ) с, „, а

20 с1 cl

dt

-- УГВ (— УГВ) д э< * то весовые ко-! эффициенты g = 0,2, à g< — — 0,8, в противном случае g I = 0,8, go. =0,2, Таким образом, использование системы управления процессом культивирования микроорганизмов с дополнительно введенными блоками вычисления м-активности клеток, идентификации модели активности, определения удельной скорости роста и по морфологофизиологическим параметрам, и по параметрам среды, определения производ« ной остаточных углеводородов, сравнения и суммирования скоростей роста, 35 позволяющими уменьшить влияние нестабильности процесса культивирования, случайной смены лимитирующих факторов, более правильно скорректировать процесс биосинтеза за счет более точного и раннего определения удельной скорости роста популяции, приводит к улучшению состояния культуры, за счет чего увеличивается выход биомассы (продуктивность) на

57 (с 2,6 до 2,73 г/л ч), Формула изобретения

Система управления процессом культивирования микроорганизмов по авт. св. ¹ 1359773, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода биомассы, она дополнительно снабжена последовательно соединенными блоками идентификации параметров модели активности и определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, последовательно соединенными блоками определения удельных скоростей роста по параметрам среды и суммирования, удельных скоростей роста микроорганизмов, последовательно соединенными блоками определения производной остаточных углеводородов и сравнения, и блоком вычисления активнос» ти клеток, при этом первый выход последнего соединен с входом блока определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, второй выход - с первым входом блока идентификации параметров модели активности, а вход - с выходом вычислителя морфолого-физиологических признаков культуры микроорганизмов, выход блока определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам - с вторым входом блока суммирования удельных скоростей роста, третий вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход - к входу блока идентификации параметров модели процесса биосинтеза, а также первый вход блока определения удельной скорости роста по параметрам среды соединен с вьМходом блока датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, вторые входы блоков идентификации параметров модели активности, сравнения, определения удельных скоростей роста по параметрам среды и первый вход блока определения производной остаточных углеводородов подключены к выходу устройства ввода данных химического анализа.