Способ автоматического управления биотехнологическим процессом
Использование: в микробиологической промышленности, а именно, при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнолргическим процессом в биореакторе . Сущность: способ автоматического управления биотехнологйческим процессом предусматривает измерение -концентрации побочного продукта и управление подачей питательной среды в зависимости от величины отклонения концентрации побочного продукта от заданного значения, а также управление скоростью перемешивания культуральной среды, отличающий с я тем, что, с целью увеличения выхода целе.вого продукта, измеряют концентрацию биомассы , концентрацию кислорода в отходящих газах, рабочий объем культуральной среды и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода , при снижении скорости потребления кислорода ниже максимального значения и при положительной скорости изменения концентрации побочного продукта в зависимости от отклонения концентрации побочного продукта от заданного значения осуществляют управление подачей воздуха на аэрацию и управление скоростью перемешивания культуральной среды, а при достижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концентрации побочного продукта осуществляют управление подачей питательной среды, причем заданное значение концентрации побочного продукта изменяют по программе, соответствующей максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве, а выращивание посевного материала заканчивают при достижении максимально возможной удельной скорости протока культуральной среды в биореакторе. 6 ил, И VI 00 О О ч4 ГО
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4864484/13 (22) 10.07.90 (46) 07.01.93, Бюл. М 1 (71) Московский технологический институт пищевой промышленности (72) А.А.Амелькин, С.А.Амелькин, П,Н,Багау. динов, С,Н.Ефремов, Д,Н.Иванов, С,B.Àáðàмычев, Д.А.Матчин и С.Д.Хрусов (56) Авторское свидетельство СССР N. 1062262, кл. С 12 Q 3/00, 1989. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ (57) Использование: в микробиологической промышленности, а именно, при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнологическим процессом в биореакторе, Сущность: способ автоматического управления биотехнологическим процессом предусматривает измерение-концентрации побочного продукта и управление подачей питательной среды в зависимости от величины отклонения концентрации побочного продукта от заданного значения, а также управление скоростью перемешивания культуральной среды, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода целевоИзобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнологическим процессом в биореакторе, Предложенный способ может быть применен для управления биотехнологическими процессами, использующими микроорганизмы, способные производить и потреблять промежуточный продукт жизнедеятельности, такие как,. Ы„„1786072 А1 2 го продукта, измеряют концентрацию биомассы, концентрацию кислорода в отходящих газах, рабочий объем культуральной среды и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода. при снижении скорости потребления кислорода ниже максимального значения и при положительной скорости изменения концентрации побочного продукта в зависимости от отклонения концентрации побочного продукта от заданного значения осуществляют управление подачей воздуха на аэрацию и управление скоростью перемешивания культуральной среды, а при достижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концентрации побочного продукта осуществляют уйравление подачей питательной среды, причем заданное значение концентрации побочного продукта изменяют по программе, соответствующей максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве, а выращивание посевного материала заканчивают при достижении максимально возможной удельной скорости протока культуральной среды в биореакторе. 6 ил, -, ЬЭ Saccharomyces cerevlslae, Candida utilis, Escherichia coll, Zymomonas, Acetobacter, Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus u др Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к предлагаемому является способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, заключающийся в том, что измеряют содержание кислорода в отходя1786072 микроорганизмов 20 3 щих газах и рабочий объем культуральной среды, определяют удельную скорость роста микроорганизмов и регулируют подачу воздуха на аэрацию и подачу питательной среды с учетом удельной скорости роста Недостатком способа является низкий выход целевого продукта из-за отсутствия оценки текущего типа метаболизма микроорганизмов по концентрации и скорости иэменения концентрации промежуточного продукта жизнедеятельности и удельной скорости потребления кислорода и соответственно невозможности выдачи корректного управляющего воздействия, а также отсутствия регулирования скорости перемешивания культуральной среды. Целью изобретения является увеличение выхода целевого продукта. Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического управления биотехнологическим процессом предусмотрено измерение содержания кислорода в отходящих газах и рабочего объема культуральной среды и регулирование подачи воз- 25 духа на аэрацию и подачи питательной среды, Отличием является то, что дополнительно измеряют концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности микроорганизмов и концентрацию биомассы и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода, сравнивают с максимальным значением, устанавливают знак скорости изменения концентрации промежуточного продукта и 35 регулируют скорость перемешивания куль " туральной среды, при этом регулирование подачи воздуха на аэрацию и скорости пвремешивания культуральной среды осуществляют- в зависимости от отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения в случае снижения удельной скорости потребления кислорода ниже максимального значенйя и при положительнбй скорости изменения концентрации промежуточного . продукта, а регулирование подачи питательной среды осуществляют в зависимости от отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения при достижении макси- 50 мального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концентрации промежу" точного продукта, При этом заданное значе-. ние концентрации промежуточного продукта 55 выбирают равным эначенйю, соответствующему максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве. В ходе биотехйологического процесса возможно возникновение различных технологических нарушений, приводящих к падению выхода целевого продукта (биомассы, аминокислоты, антибиотика, уксусной кислоты и т.п,). Измеряя концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности (например, этанола при выращивании хлебопекарных дрожжей) и удельную скорость потребления кислорода, можно однозначно определить тип технологического нарушения и выдать соответствующее управляющее воздействие. Обоснование необходимости введения отличительных признаков; измерение концентрации биомассы не обходимо для расчета удельной скоростй потребления кислорода; измерение концентрации промежуточного продукта жизнедеятельности микроорганизмов необходимо для определения типа метаболизма микроорганизмов с целью идентификации типа технологического нарушения; расчет удельной скорости потребления кислорода необходим для определения типа метаболизма микроорганизмов с целью идентификации типа технологического нарушения; регулирование скорости перемешивания культуральной среды в зависимости от отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения необходимо с целью достаточного насыщения культуральной среды кислородом; выбор заданного значения концентрации промежуточного продукта необходим для учета ограничений на качество целевого продукта. Аналоги, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружены. Предлагаемое решение соответствует критерию "существенные отличия". На фиг.1 представлена схема устройстss для осуществления предложенного способа управления биотехнологическим процессом; на фиг,2-6 представлены вре менные диаграммы, описывающие изменение концентрации промежуточного продукта . Y в культуральной среде, удельной скорости . потребления кислорода 0 и параметров программ управления подачей воздуха на азрацию (а), скоростью перемешивания (k) и подачей питательной среды (п) во времени. Устройство для осуществляется автоматического управления биотехнологическим процессом содержит датчик 1 концентрации кислорода в отходящих из биореактора 2 газах, датчик 3 рабочего объема культуральной среды в биореакторе 2, датчик 4 концентрации промежуточного продукта в 1786072 культуральной среде, датчик 5 концентрации биомассы в культуральной среде и задающий блок 6, выходы которых соединены с входами микропроцессорного блока управления 7, Сигналы с выходов блока 7 под- 5 аются нэ входы исполнительных механизмов 8, 9, 10 и 11, расположенных соответственно в линии подачи в биореактор 2 питательной среды, на валу перемешивающегоустройства, в линии подачи воздуха на азрацию и в 10 линии отвода культуральной среды из биореактора 2 на сепарацию, Способ осуществляют следующим образом, С началом технологического процесса в 15 биореакторе 2 íà его входы непрерывно подают воздух на азрацию, питательную среду и осуществляют перемешивание культуральной среды в соответствии с программами изменения управляющих воздействий 20 во времени, заложенными в микропроцессорном блоке 7; Fa = Z1 ехр(m t); (1) w = Z2 exp (k t); (2) Fa = Z3 exp (n t), (3) 25 где Fa — объемный расход воздуха, w — скорость вращения мешалки; Fa — объемный расход питательной среды Z> — 2э — константы; 30 m, k, n — корректируемые параметры; t — текущее время с начала процесса в биореакторе 2. Сигналы, соответствующие управляющим программам (1), (2) и (3), подаются с 35 выходов блока 7 на входы исполнительных механизмов 8, 9 и 10. На основе информации с датчиков рабочего объема 3 концентрации биомассы 5 и концентрации . кислорода 1, а также расчетного значения 40 Fa (по зависимости (1)) рассчитывают удельную скорость потребления кислорода: U—100XV где С вЂ” объемная концентрация кислорода в отходящих газах; q — плотность атмосферного воздуха; 21 — объемная концентрация кислорода 50 в воздухе; X — концентрация биомассы; V — рабочий объем культуральной среды. При отказе датчика концентрации кис- 55 лородэ 1 удельную скорость потребления кислорода рассчитывают по формуле: U = K> + Кг (d (ЧХ)/бт)/(VX); (5) если U > Umax, то U = 0„„, где К1, Кр — константы, В задающий блок 6 закладывают и хранят в нем значения всех констант, максимальное значение удельной скорости потребления кислорода Umax и заданное значение концентрации промежуточного продукта +, В ходе предварительных экспериментов выбирается значение, соответствующее максимал ьному выходу биомассы (так как биомасса способна одновременно расти на основном субстрате и промежуточном продукте), при котором еще не происходит заметного ингибирования роста биомассы и биосинтеза целевого продукта и снижения качества целевого продукта, Величины Umax M+ являются характеристиками конкретной культуры. На основе сигнала с датчика 4 концентрации промежуточного йродукта и скорости его изменения dY/dt, а также результатов сравнения величий U и Umax, Y и в микропроцессорном блоке управления 7 осуществляют коррекцию управляющих программ (1), (2) и (3) в соответствии с алгоритмом: Delta = Y — ; d/dt Delta = dY/dt, если бУ/clt > О и U < Umax, то m = m + А1 dY/dt+ А2 Delta; (6) если бУ/dt > 0 и 0 < Umax, то k = k+ АЗ dY/dt+ А4 Delta; если dY/dt > О и 0 = Umax èëè бУ/бс < О, то n = и — А5 dY/dt — А6 Delta, где А — Ae — константы. При отказе датчика 1 величина U определяется по формуле (5), При отказе хотя бы одного из датчиков 3 или 5 невозможно определить величину U по зависимости (4) или (5). Тогда микропроцессорный блок управ- . ления осуществляет управление по другому алгоритму: Delta .=. Y — ; б/cft Delta = dY/dt; п = п — А5 dY/dt — А6 Delta; если dY/dt > О, то m = m + А1 dY/dt+ А2 Delta; (7) если dY/dt > О, то k = k+ АЗ dY/dt+ А4 Delta, Теоретическое обоснование алгоритма управления (6) основывается на следующих особенностях метаболизма микроорганизмов: — состояние А dY/dt > О и U = 0пах соответствует передозировке питательной среды и возникновению азробного брожения; — состояние Б: dY/dt > О и U < Опах соответствует недостаточной подаче возду1786072 ха и скорости перемешивания и возникновению анаэробного брожения; — состояние В; dY/dt < 0 соответствует недостаточной подаче питательной среды и возникновению субстратного голодания; — состояние Г; dY/dt = О, Delta = 0 и 0 = Umax соответствует максимуму выхода целевого продукта прй заданном его качестве (поддержание этого состояния и обеспечивает алгоритм (6)). На фиг.2-6 представлены все ситуации, возможные в ходе управления биотехнологическим процессом. Отрезки AB u EF соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии Б. Отрезки BC соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии А. Отрезки CD u FG соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии В. Отрезки ОЕ, GH u LNl соответствуют состоянию Г. В точке Н произошел отказ одного из датчиков 3 или 5 и управление передано алгоритму (7), Ситуация, соответствующая отрезкам НК, неопределенна— это либо состояние А, либо состояние Б. Поэтому алгоритм (7) корректирует.все управляющие программы (1)-(3). Погрешность алгоритма (7) обусловлена неоднозначностью возникающих ситуаций. По окончании процесса в биореакторе 2 микропроцессорный блок управления 7 подает сигналы на прекращение аэрации, подачи питательной среды и перемешиаания (йсполнительные механизмы 8, 9, 10), а также сигнал на исполнительный механизм 11 на подачу культуральной среды на сепарацию, Предложенный способ позволяет увеличить выход целевого продукта на 5,4% при гарантированном его качестве. Формула изобретения Способ автоматического управления биотехнологическим процессом, и редусматривающий измерение содержания кис5 лорода в отходящих газах и рабочего объема культуральной среды и регулирование подачи воздуха на аэрацию и подачу питательной среды, отл и ч а ю щи и ся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта, 10 измеряют концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности микроорганизмов и концентрацию биомассы и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода, сравнива15 ют с максимальным значением, устанавлива. ют знак скорости изменения концентрации промежуточного продукта и регулируют скорость перемешивания культуральной среды, при этом регулирование подачи воздуха 20 на аэрацию и скорости перемешивания культуральной среды. осуществляют в зависимости от отклонения концентрации про- . межуточного продукта от заданного значения в случае снижения удельной ско25 рости потребления кислорода ниже макси мального значения и при положительной скорости изменения концентрации промежуточного продукта. а регулирование подачи питательной средй осуществляют s зависимости 30 от отклонения концентрации промежуточ ного продукта от заданного значения при достижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концент35 рации промежуточного продукта, причем. заданное значение концентрации промежуточного продукта выбирают равным значению, соответствующему максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве. 1786072 1786072 Cat . 4. ФЫР б 64 Составитель А Амелькин Техред М. Моргентал Корректор М.Ткач Редактор Т.Иванова, Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 227 Тираж, Подписное ВНИЙПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035„Москва, Ж-35, Раушская наб,, 4/5
