Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов
Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для автоматического управления непрерывным процессом выращивания микроорганизмов. Цель изобретения - повышение выхода биомассы . Система осуществляет стабилизацию соотношения скорости потребления кислорода и аммиачной воды, которое однозначно связано с удельной скоростью роста микроорганизмов, путем управления подачей субстрата. Система содержит контуры регулирования подачи воды, питательных солей и субстрата, температуры, рН и концентрации растворенного кислорода культуральной среды, а также технические средства для стабилизации удельной скорости роста микроорганизмов. Кроме того, система посредством логического устройства осуществляет анализ динамики процесса биосинтеза и в неблагоприятных условиях выращивания предотвращает процесс от вымывания. Система позволяет более точно поддерживать заданный режим биосинтеза в меняющихся условиях культивирования. Стабилизация удельной скорости роста микроорганизмов обеспечивает эффективность использования питательных веществ и повышает выход биомассы. 1 табл. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
1йИ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
6 (21) 4714658/13 (22) 03,05.89 (46) 15,05.91. 6юл, М 18 (71) Каунасский политехнический институт им. А. Снечкуса (72) Г.И. Гваздайтис, Ю.-К.IG, Станишкис, В.В. Кильдишас и М.М. Манкявичюс (53) 663.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 1193171, кл. С 12 0 3/00, 1985.
Авторское свидетельство СССР
М 412241, кл. С 12 Q 3/00, 1974. (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (57) Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для автоматического управления непрерывным процессом выращивания микроорганизмов.
Цель изобретения — повышение выхода биомассы. Система осуществляет стабилизаИзобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для автоматического управления непрерывным процессом выращивания микроорганизмов.
Цель изобретения — повышение выхода биомассы.
На чертеже представлена блок-схема система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов.
При непрерывном выращивании микроорганизмов наиболее эффективными явля„„Я2„„1б48981 А1 (sI)s С 12 Q 3/00 цию соотношения скорости потребления кислорода и аммиачной воды, которое однозначно связано с удельной скоростью роста микроорганизмов, путем управления подачей субстрата. Система содержит контуры регулирования подачи воды, питательных солей и субстрата, температуры, рН и концентрации растворенного кислорода культуральной среды, а также технические средства для стабилизации удельной скорости роста микроорганизмов. Кроме того, система посредством логического устройства осуществляет анализ динамики процесса биосинтеза и в неблагоприятных условиях выращивания предотвращает процесс от вымывания. Система позволяет более точно поддерживать заданный режим биосинтеэа в меняющихся условиях культивирования, Стабилизация удельной скорости роста микроорганизмов обеспечивает эффективность использования питательных веществ и повышает выход биомассы. 1 табл. 1 ил. ются автоматические системы стабилизации удельной скорости роста, так как они обеспечивают рациональное испол ьзование всех компонентов процесса биосинтеза. О интенсивности процесса судят по косвенным параметрам — скорости титрования и потребления кислорода:
Qpg — К1фХ = К2 Х; (1)
0Ав = КЗРХ, (2) где Qp - скорость потребления кислорода:
1648981
Одв — скорость потребления аммиачной воды; р- удельная скорость роста микроорганизмов, Х вЂ” концентрация микроорганизмов;
К1, К2, Кз — коэффициенты пропорциональности.
Удельная скорость роста р выражается как функциональная зависимость от соотношения Qog /Одв
К4 ° (3) где К4=Кр/Кз и Кь=К1/Кз — коэффициенты пропорциональности.
Данная система по ходу процесса поддерживает заданное значение соотношения ОО2/Одв путем управления подачей субстрата, одновременно стабилизируя удельную скорость роста микроорганизмов, Функциональная зависимость ,и = f (Qop/Одв ) для данного процесса выращивания определяется заранее, Ввиду нелинейности функциональной зависимости,й = f (Qog/Одв ), чтобы обеспечить динамичность и качество управления на всем рабочем диапазоне, в данной системе предусмотрена коррекция коэффициента усиления регулятора стабилизации соотношения Qpg /Одв в зависимости от величины соотношения Qog /Одв.
Кроме того, в системе предусмотрены технические средства, защищающие процесс от вымывания, т,е, если даже после увеличения скорости подачи субстрата скорость роста по неизвестным причинам не увеличивается или падает, что свидетельствует о явном нарушении технологического регламента, то подача субстрата, а одновременно и скорость протока на соответствующую долю уменьшаются.
Система содержит контуры регулирования подачи воды, питательных солей и субстрата, температуры (не показаны), рН и концентрации растворенного кислорода культуральной среды.
Контур регулирования концентрации растворенного кислорода включает датчик
1 концентрации растворенного кислорода в аппарате, регулятор 2 и исполнительный механизм 3 на линии подачи воздуха, при этом датчиком 4 измеряют расход подаваемого воздуха.
Контур регулирования рН включает датчик 5 рН в аппарате, регулятор 6 и исполнительный механизм 7 на линии подачи аммиачной воды, при этом датчиком 8 измеpAI0T расход аммиачной 80+bi.
Контур регулирования подачи субстрата включает датчик 9 расхода субстрата, регулятор 10 и исполнительный механизм 11 на линии подачи субстрата, Система также содержит последовательно соединенные датчик 12 концентрации кислорода в выходящих газах, блоки 13 и 14 определения текущей и среднеинтегральной скоростей потребления кислорода и блок 15 деления, на второй вход которого через блок 16 определения среднеинтегральной скорости подачи аммиачной воды подключен датчик 8 расхода аммиачной воды, Выход блока 15 деления соединен с блоком 17 управления и.с логическим устройством 18, другие входы последнего связаны с блоками 15 и 17 деления и управления, а выходы — с блоком 19 переключения. Блок 20 синхронизации подключен к логическому устройству 18 и к блокам 14 и
16 определения среднеинтегральной скорости потребления кислорода и аммиачной воды, а выход блока 17 управления через блок
19 переключения соединен с задающим входом регулятора 10 подачи субстрата.
Система работает следующим образом.
Сигналы от датчика 4 расхода воздуха на аэрацию и датчика 12 концентрации кислорода в выходящих газах поступают на блок 13, в котором текущая скорость потребления кислорода определяется по формуле
Qop =Овозд. (Со. возд-Со ), (4) где Π— скорость потребления кислорода;
Оеозд, — расход воздуха на азрацию;
Со,вопд — концентрация кислорода в воздухе (величина постоянная);
Со„— концентрация кислорода в выходящих газах.
Сигнал текущей скорости потребления кислорода с выхода блока 13 поступает на блок 14 определения среднеинтегральной скорости потребления кислорода, а сигнал от датчика 8 расхода аммиачной воды — на блок 16 определения среднеинтегральной скорости подачи аммиачной воды. В блоках
14 и 16 происходит суммирование моментных значений входных сигналов за заданный период времени и деление сигналов интегральной суммы на длительность периода интегрирования. Период интегрирования выбирается таким, чтобы сглаживать нестационарность текущих измерений. Сигналы с выходов блоков 14 и 16 поступают на блок 15 деления. Работой блоков 14 и 16 управляет блок 20 синхронизации, который задает период интегрирования. После окончания этого периода блок 20 синхронизации формирует управляющий сигнал, по которому сигналы интегральных сумм в блоках 14
55 и 16 делятся на период интегрирования и подаются на блок 15 деления. а также осуществляется сброс блоков 14 и 16. Результат деления, который однозначно связан с удельной скоростью роста микроорганизмов,и = f { Qpg/Одв ) (где Одв — скорость потребления аммиачной воды), с выхода блока 15 подается на блок 17 управления.
Этот блок формирует управляющий сигнал согласно выражению
УпР = — — (Qo2/Qas 3sa.) (Б)
0р2 Одв где Зад. — сигнал задания соотношения, К вЂ” коэффициент усиления, который через блок 19 переключения подается на задающий вход регулятора 10 подачи субстрата. Сигналы задания соотношения Оо /Одв Зад и коэффициента усиления
К вводятся в блок 17 управления через задатчик констант блока. Коэффициент усиления подбирается по обычной методике отладки контуров регулирования. Согласно выражению (5) коэффициент усиления коррегируется в зависимости от величины соотношения Оо /Одв, что значительно увеличивает качественные показатели контура стабилизации соотношения 0 /QAe, так как функциональная зависимость
p = f (Оор/Одв ) нелинейна. Блок 17 управления коррегирует задание регулятора
10 подачи субстрата, который управляет подачей субстрата, таким образом, чтобы поддерживать заданное соотношен и е Оо /Одв. Функциональная зависимость
/ с = 1 (Оо /Одв ) для данного процесса биосинтеза определяется заранее.
Логическое устройство 18 служит для защиты процесса от вымывания, когда по неизвестным причинам даже после увеличения скорости подачи субстрата удельная скорость роста не увеличивается. На логическое устройство 18 поступают сигналы средней скорости потребления аммиачной воды, соотношения Оо /Одв и управления Упр.
Работой логического устройства 18 управляет блок 20 синхронизации. Через дискретные интервалы времени, которые равны периоду интегрирования блоков 14 и 16 определения среднеинтегральной скорости потребления кислорода и аммиачной воды, в блоке памяти логического устройства 18 запоминаются значения входных сигналов и сравниваются с результатами предыдущего запоминания. Логическое устройство 18 анализирует результаты сравнения и управляет работой блока 19 переключения со5
35 гласно правилам, представленным в таблице.
Если после увеличения скорости подачи субстрата скорость роста не увеличивается, логическое устройство 18 включает сигнализацию о нарушении технологического регламента, а коррегирующий сигнал блока 17 управления инвертирует и подает сигнал на регулятор 10 субстрата. Таким образом, прикрывается подача субстрата, а одновременно уменьшается и проток через ферментер (в аппарате установлено переливное устройство для отвода культуральной суспензии), что предотвращает от начала вымывания.
Предлагаемая система по сравнению с известной позволяет более точно поддерживать заданный режим биосинтеэа в меняющихся условиях культивирования.
Стабилизация удельной скорости роста микроорганизмов обеспечивает эффективность использования питательных веществ и повышает выход биомассы.
Формула изобретения
Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая контуры регулирования подачи воды, питательных солей и субстрата, температуры, рН и концентрации растворенного кислорода культуральной среды, датчики расхода аммиачной воды и воздуха на аэрацию, концентрации кислорода в выходящих газах, а также логическое устройство, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения выхода биомассы, она снабжена последовательно соединенными блоками определения текущей и среднеинтегральной скорости потребления кислорода, деления, управления и переключения, а также блоками определения среднеинтегральной скорости подачи аммиачной воды и синхронизации, при этом блок определения текущей скорости потребления кислорода связан с датчиками концентрации кислорода и расхода воздуха, а датчик расхода аммиачной воды через блок определения среднеинтегральной скорости подачи аммиачной воды связан с блоком деления и логическим устройством, другие входы последнего связаны с блоками деления, управления и синхронизации, а выходы — с блоком переключения, выход которого соединен с задающим входом регулятора подачи субстрата, причем блок синхронизации подключен к блокам определения среднеинтегральной скорости потребления кислорода и аммиачной воды.
1648981
Соотношение
Goz/0Ae
Скорость потребления амиачной воды
GAe
Выходной сигнал блока управления
Уп .
Работа блока переключения
Сигнал Упр.подключен к регулятору субстрата
То же
Отрицательный
Положительный
Увеличивается
Уменьшается уменьшается увеличивается
Сигнал Упр.инвертируется и подключается к регулятору субстрата, включается сигнализация
То же
Увеличивается.Составитель Г.Богачева
Редактор Л.Веселовская Техред M,Ìîðãåèòàë Корректор С.Шевкун
Заказ 1500 Тираж 367 Подписное
ВНИИПИ Государственного Комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/6
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
