Система управления процессом культивирования микроорганизмов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.(я)5 С 12 Q 3/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1359773 (21) 4695709/13 (22) 24.05.89 (46) 15.06.91. Бюл.¹22 (71) Научно-производственное объединение

"Биотехника" (72) А.Ю.Варьяш, А.Ю.Винаров, В.Г,Сухоручников, Ю,Ф,Давыдов, Ю.Г.Козлов, В.А.Маркалов, Б.П.Пантелеев, В.В.Федоров и К.А.Яновский (53) 663.1 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1359773, кл, G 05 0 27/00,:1985. (54) СИСТЕМА УПРАВЛ ЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (57) Изобретение может быть использовано в производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков. Цель АУ 1655992 А2 изобретения — снижение расходных коэффициентов компонентов питания за счет стабилизации концентрации остаточных компонентов питания в заданных пределах.

Система содержит подсистему дополнительной коррекции подачи компонентов питания, включающую блоки 16, 17 пороговых значений концентрации, блок 18 заданных значений подачи питания, блоки 19; 20 разности, сравнения, усилители 21 и 22 с разными коэффициентами усиления, блок 23 вычисления производной изменения концентрации компонентов питания, блоки 24, 25, 28 сложения, умножения и ключи 27, 26 коррекции подачи питания и переключения усилителей. Устройство 7 ввода данных химического анализа подключено к блокам 20, 19, 23 сравнения, разности и вычисления производной изменения концентрации ком1655992

10

35 понентов питания, а выходы блока 20 сравнения подключены к блокам 16. 17 пороговых значений концентрации компонентов питания и ключам 27, 26 коррекции подачи питания и переключения усилителей. Выход блока 18 пороговых значений подачи компонентов питания подключен к одному из входов блока 3 суммирования сигналов коррекции. Выходы блоков 16, 17 пороговых значений концентрации компонентов питания подключены к блокам 19, 20 разности сравнения. Выход блока 19 разности через

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может найти применение на заводах белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов.

Целью изобретения является снижение расходных коэффициентов компонентов питания.

На фиг.1 изображена структурная схема системы управления процессом культивирования микроорганизмов; на фиг.2 — зависимость сигнала коррекции подачи питания

Ui от величины остаточной концентрации

I-го компонента питания Сь

На фиг.2 приняты следующие обозначения: К1; К2 — коэффициенты усиления усилителей, К1 с Ку., CDi — заданные регламентом пороговые значения концентрации компонентов питания, CD1 и CD2 — нижние, CD3 и CD4 — верхние, CDp«. — регламентное (номинальное) значение; hoi — заданные пороговые значения подачи питания, ho< ,60,2, — нижние, ho,ç, 60,4 — верхние.

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3 суммирования сигналов коррекции, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок управляемых параметров, устройства 7 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 решеключ 26 переключения усилителей соединен с усилителем 21 и 22, выходы которых соединены с входом соответствующего блока

24 или 25 сложения, другой вход каждого из блоков 24, 25 сложения подключен к выходу блока 23 вычисления производной. Блоки

24, 25 сложения через ключ 27 соединены с блоком 28 умножения, второй вход которого через ключ 12 управления связан с выходом сумматора 15, а выход блока 28 умножения соединен с блоком 3 сум урования сигналов коррекции. 3 табл. 2 ил. ний технолога для них на изменение управляемых параметров, блока 11 формирования сигналов коррекции управляемых параметров ключа 12 управления, блока 13 идентификации параметров модели, блока

14 оптимизации, сумматора 15, блоков 16, 17 нижних и верхних пороговых значений концентрации компонентов питания, блока

18 заданных пороговых значений подачи питания, блока 19 разности, блока 20 сравнения, усилителей 21 и 22, блока 23 вычисления производной изменения концентрации компонентов питания, блоков 24 и 25 сложения, ключа 26 переключения усилителей, ключа 27 коррекции подачи питания, блока 28 умножения.

Секции ферментера 1 соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которых датчики оптической плотности (не показаны) соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, второй вход вычислителя 9 соединен с выходом блока 10 памяти. В блоке 10 памяти записанд удовлетворительные решения на изменение управляемых параметров, а также отличительные морфологические и статистические признаки 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 ферментации и с устройства ввода данных химического анализа, Выход блока 10 соединен с входом

1655992

50

10

25 устройства 11 формирования сигналов коррекции, 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 сигналов коррекции. Один из входов блока 13 идентификации связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров; другой — с выходом вычислителя 9 морфологических йризнаков, третий с устройством 7 ввода данных химического анализа, а выход блока 13 идентификации параметров модели связан с входом блока

14 оптимизации, выход которого соединен с входом сумматора 15, другой 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.

Выход пульта 5 управления соединен с входом блока 3 суммирования сигналов коррекции и с входом блока 10 памяти, Выход блока 6 начальных уставок управляющих параметров соединен с входом блока 3 суммирования, выход которого соединен с входом блока 4 исполнительных механизмов, изменяющих подачу компонентов в ферментер

Устройство 7 ввода данных химического анализа подключено к блокам сравнения.

20, разности 19 и блоку 23 вычисления производной изменения концентрации компонентов питания, Выход блока 19 разности подключен к ключу 26 переключения усилителей, выходы ключа 26 переключения усилителей соединены с входами усилителей 21 и 22. Выход блока 20 сравнения подключен к входам блоков 16, 17 нижних верхних пороговых значений концентрации компонентов питания, к входам ключей 26, 27. Выход ключа 27 коррекции питания соединен с первым входом блока 28 умножения, а выходы — с выходами блоков 24 и 25 положения.

Выходы блоков 24, 25 сложения подключены к выходам усилителей 21 и 22 и выходам блока 23 вычисления производной изменения концентрации компонентов питания. Выходы блоков 16 и 17 нижних и верхних пороговых значений концентрации компонентов питания соединены с входами блоков сравнения 20 и разности 19. Выходы блока 18 заданных пороговых значений подачи питания и блока 28 умножения подключены к блоку 3 суммирования сигналов коррекции. Вход блока 28 умножения соединен с ключом 12 управления, Система 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 физикохимических параметров, с вычислителями 9 отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7. По эти 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 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 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 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 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 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 (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 образцов с данными, записанными на страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями. Блок 11

1655992 выбирает из блока 10 памяти данные той же 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 этом 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

Выполнении ее команд (советов) экономичеСкий показатель не ниже того, который записан на странице памяти. В случае, если он рказывается выше, то 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 блок 10 памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются показания датчиКов контролируемых параметров:по всей технологической линии процесса ферментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем. 9) культуры

Микроорганизмов (самих микроорганизмов, включений в них и в среде) из различных

Секций ферментера 1 и иэ 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, статистические характеристики культуры микроорганизмов, рассчитан ные 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.-Локальная оптимизация (блок 13 идентификации параметров модели, блок 14 оптимизации и сумматор 15) уточняет и дополняет работу системы управления, На вход блока13 идентификации из вычислителя 9 поступают значения МФпараметров, а также с устройства 7— значения концентраций биомассы (Х), остаточных углеводородов (S), фосфора (P20s), азота (N), а также из блока 2 — расходы компонентов питания углеводородного (So), фосфора (Ро), азота (йо), скорости разведения (0), объема аппарата (Vj, =в()+

So So — (— )зад х х )2 (— „ ) 1

No No — (— )зад

+яз(„„) +. (— „ ),„д

Po Po — (— )зад (Х Х )2 (— „ )„,, < 0;$1«S «S2

P1 S - a1; S «$2 +

-ф1$+д;;$ «$1

25

30 с О;N «N «N

j4 N + дз, N «N, + — Дз S+дз, И N1

0;Р«P «Р

ДР— дг, Р «Рг

-ДР+А; Р «Рз

40 где р — весовые результаты;

So . No, Po (DX) „„ (х )3aa (х )зад (х )зад заданные номинальные значения;

S1, $2 — нижние и верхние регламентные значения;

5р Р1, Р2, N1, N2 — концентрации остаточных углеводородов, фосфора, азота;

Pi, д1 — константы.

С блока оптимисации сигналы коррекции поступают на сумматор 15.

На другой вход сумматора 15 поступает сигнал управления Uo5yv., получаемый на блоке 11. B сумматоре происходит сложение этих сигналов с соответствующими удельными весами и вырабатывается общий сигнал управления

В блоке идентификации рассчитываются коэффициенты математической модели процесс культивирования с учетом состояния культур (МФ-параметры) и параметров

5 среды (S, N, P) путем минимизации суммы квадрата разностей экспериментальных (за несколько часов, порядка 10 ч) и теоретических, рассчитанных по модели в блоке идентификации, значений Х, S, N, P.

10 На вход блока оптимизации поступают с блока идентификации текущие значения коэффициентов математической модели и затем в блоке рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания (So, 15 No, Po) и скорости разведения (0) таким образом, чтобы обеспечить минимум заданноr0 критерия.

1655992

25

35

40 говых значений концентрации компонентов 45 питания. В зависимости от соотношения те50

01=К10корр.+К20обуч. где 01 — общий сигнал управления;

Окорр. — сигнал управления, получаемый локальнооптимизационной частью системы;

0обуч. — СИГНаЛ УПРаеЛЕНИЯ, ПОЛУЧаЕМЫй обучающейся частью системы;

К1, К2 — удельные коэффициенты.

B случае отказа обучающейся части К2 равно О.

Описанная система может работать как в режиме советчика, так и в автоматическом режиме, для чего ключ 12 ставится в необходимое заданное 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) возникают ситуации, ранее не встречающиеся, и в этом случае обучающая система дает отказ. Использование системы локальной оптимизацииликвидирует возможность отказов, так как. эта подсистема не обладает ограниченной памятью и использует лишь текущую информацию о процессе ферментации.

С устройства 7 ввода данных химического анализа значения концентраций остаточных компонентов питания (углерода, азота, фосфора) за последний С и предыдущий Сь1 анализы поступают в блок 20 сравнения, в блок 23 вычисления производной изменения концентрации компонентов питания и в блок 19 разности. В блоке 20 сравнения производится сравнение текущего значения концентрации остаточных компонентов питания с нижними CD1, CD2 и верхними CDÇ, CD4 пороговыми значениями концентраций, которые поступают в блок 20 сравнения из блока 16 нижних (CD1 и CD2). пороговых значений концентрации компонентов питания и из блока 17 верхних (СДЗ и СД4} порокущих и пороговых значений концентрации компонентов питания сигнал с блока 20 сравнения управляет положением ключей

27 и 26 в переключателях коррекции подачи питания и переключения усилителей„Если

СД2 Ci СД4или СДЗ:- Ci СД1,то блок 20 сравнения переключает ключ 27 в положение ill, а ключ 26 в положение V, т,е. значения текущей концентрации компонентов питания поступают в усилитель 21 (коэффициент усиления К1). Если Ci > СД4 или

Ci < СДЗ, то блок 20 сравнения переключает ключ 27 в положение IV, а ключ 26 в положение И, 1 т.е. подключает выход уси5

20 лителя 22 (коэффициент усиления Kz) к входу блока 25 сложения (К1 < К2).

B блоке 23 вычисления производной изменения концентрации компонентов питания происходит определение одной из составляющих сигнала коррекции U подачи компонента питания С, которая поступает на оба блока 24 и 25 сложения:

02= (С Cl )

С где Кз — коэффициент пропорциональности.

На вход блока 19 разности кроме сигнала с устройства 7 поступают пороговые значения концентрации компонентов питания с блоков 16 или 17 верхние или нижние, в зависимости от сигнала, поступающего с блока 20 сравнения. В блоке 19 разности формируется разность (СД -С ) и через ключ

26 переключения усилителей поступает в усилитель 21 или 22.

С выхода усилителя 21 (или усилителя

22) на вход блока 24 сложения (или блока 25 сложения) поступает вторая составляющая сигнала коррекции подачи питания:

0з=к*1(СД вЂ” С), где К 1 — коэффициент усиления соответствующего усилителя 21 или 22.

Таким образом на выходе блока 24 сложения получаем сигнал

U4= Кз () + К 1(СД1 С ) или

04 = Кз () + К 1(СД2 -Cl)

С на выходе блока сложения 25

U4= КЗ (С )+ K. 2(САЗ CI) или

G — Cf — i

04-Кз (С )+ K 2(СД4-Ci)

С

Таким образом, предлагаемая система обеспечивает формирование сигнала коррекции подачи питания по соотношению

Ci — 1 — Ci

U4= Кз () + кl(CDI - С ). . С. поясняемому фиг.2.

Сигнал 04 с блока 24 сложения (или 25) через ключ 27 поступает на вход блока 28 умножения, на второй вход которого поступает через ключ 12 управления с сумматора

15 сигнал коррекции управления

01= K1Uropp.+K2Uo6yu., а вблоке 28 умножения происходит умножение этих сигналов

1655992

10

35

" < b f ) ЪСЪ О)! который поступает на блок 3 суммирования, На блок 3 суммирования поступает также сигнал с блока 18 заданных пороговых значений 4 подачи компонентов питания.

В блоке 3 суммирования формируется общий сигнал управления с учетом остаточных концентраций компонентов питания в ферментере в различные моменты времени.

Пример работы системы управления в режиме ограничения по значениям остаточных концентраций компонентов питания (парафин, питательные соли фосфора и азота, аммофос и сульфат аммония) при культивировании дрожжей на Н-парафинах нефти.

Регламентные значения концентрации .CD и подачи питания приведены в табл 1.

Значения коэффициентов усиления усилителей к1 и к2 коэффициента пропорциональности Кэ приведены в табл,2.

Подача компонентов питания, кг/ч:

Парафин . 1300

Аммофое 28

Сульфат аммония 11,6

Анализ пробы дрожжевой суспенэии (устройство 7} показал, что при подаче компонентов питания, указанных выше, остаточные концентрации компонентов питания имеют значения, приведенные в табл.3.

Таким образом, в блоке 20 сравнения концентрации компонентов попадают в интервал от CD2 до CD4 (фиг.2). Ключ 26 переключения усилителей устанавливается в . положение V. т.е. подключается усилитель с большим коэффициентом усиления К1.

В результате в соответствии с выражением:

05-(Кз (С, ) +К1(СС 2- Ci))U1 на выходе блока 28 умножения получаем парафин .

Us «(0,Î +

0;7 — 0,8

+ 0,4 (0,7 — 0,8) ) 1300 = — 58,5кг/ч аммофос

0,20 — 0;21 — ют—

+ 1,2 (0,2 — 0,21 ) ) 28 = -1,736кг/ч . сульфат аммония

0,40 — 0,42 — наг —

+ 1,2 (0,4 — 0,42 ) ) ° 11,6 = — 0,86кг/ч

Кроме того, рассчитанное в предлагаемой системе после сумматора 15 значение подачи компонентов питания уменьшается еще на величину6адля парафина на 10 кг/ч, аммофоса на 28 кг/ч сульфата аммония на

З

5,8 кг/ч. хранимую в блоке 18 нижних задэнных значений подачи.

Таким образом, расход парафина будет уменьшен на 68,5 кг/ч. аммофоса 29,74 кг/ч и сульфата аммония 6,66 кг/ч до следующего анализа С производимого в устройстве 7, В среднем за сутки расходные коэффициенты по парафину, питательным солям,фосфора и азота уменьшается на 2

За счет стабилизации концентрации остатОчных компонентов питания Ci в заданных пределах CDi. осуществляется оптимальная работа предлагаемой системы в заданных пределах, что приводит к снижению расходных коэффициентов no i-м компонентам питания, Таким образом, система управления процессом культивирования микроорганизмов с коррекцией подачи парафина по концентрациям в различные моменты времени остаточных углеводородов в фермемтере позволяет снизить расходный коэффициент по парафину на 2 О (с 1,090 до1,068) и питательным солям (аммофос и сульфат аммония) на 2 .

Формула изобретения

Система управления процессом культивирования микроорганизмов по а вт. с в, М 1359773, о т л. и ч аю. щ а яс я.тем, что, с целью уменьшения расходных коэффициентов компонентов питания, она дополнительно снабжена блоками нижних и верхних пороговых значений концентрации компонентов питания, заданных пороговых значений подачи питания, разности, сравнения, умножения, вычйсления, производной изменения концентрации компонентов питания, двумя блоками сложения, двумя усилителями, ключами переключения усилителей и коррекции подачи питания, при этом входы блоков разности, сравнения и вычислений производной изменения концентрации компонентов питания соединены с выходом устройства ввода данного химического анализа, выход блока разности подключен к ключу переключения усилителей, выходы которого соединены с входами усилителей, выход блока сравнения подключен к выходам блоков нижних и верхних пороговых значений концентрации компонентов питания, входам ключей переключения усилителей и коррекции-подачи питания, выход последнего соединег. с первым входом блока умножения, а выходы — с выходами блоков сложения, входы которых подключены к выходам усилителей и выходам блока вычисления производной изменения концентрации компонентов питания, выходы блоков нижних и верхних пороговых значений подачи концентрации компонентов питания соеди1655992

14 нены с входами блоков сравнения и разности, выходы блоков заданных пороговых значений питания и умножения подключены к блоку суммирования сигналов коррекции, а вход блока умножения — к ключу управления.

Таблица 1

Подача питания, кг/ч

Концентрация, г/л

Компоненты питания

CD1 CD2 CD3

СР4

20 -20

-10

0,9 10

0,4 0,7

0,2

Парафин

Аммофос (ИН ) Р> 0

84 -84

0,14 0,22 28

-28

0,16 0,2

0,28 0,44 5,8

Значения

По парафину

0,04

0,2

0,4

О,б

Та блица 3

1- I

Компоненты

0,8

0,7

0,20 0,21

0,40 0,42

Сульфат аммония

Сульфат аммония (.Щ 80 0,32 0,4

По питательным солям (аммофос .и сульфат аммония) Парафины

Аммофо<

Таблица 2

-5,8 . - 14,5 -14,5

1655992

Фиг.2

Составитель В.Новиков

Редактор Т, Лазоренко Техред M.Моргентал Корректор Т. Палий

Заказ 2030 Тираж 370 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101