Способ автоматического управления процессом культивирования дрожжей

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

ÐÅÑПУБЛИК

ГО УДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

BE ОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (я)з С 12 N 1/18 « ю . j

НАПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 стве сп .чес

Предполагаемое изобретение относится микробиологическоЮ промышленности, в ч стности к производству хлебопекарных др жжей, С целью достижения оптимального урс1вня экономического эффекта и скорости роота подачу углеводного питания обычно осуществляют в зависимости от одного или нескольких параметров процесса: величины дыхательного коэффициента — RQ, скорости пот1ребления кислорода — Q, уровня этало-. на в культуральйой жидкости или отрабоI тан ном газе.

I вам Известны способы управления процессам ферментации хлебопекарных дрожжей, основанные на поддержании дыхательного коэффициента на определенном уровне (21 (22 (46 (71 ин ра ги (7-" (56 (54

ЛЕ

НИ (57 пр

4852422/13

18.07,90

07.02.93, Бюл, N 5

Всесоюзный научно-исследовательский титут пищевой биотехнологии и Ленингское отделение Лаборатории технолодрожжей

M,Ô. Казекин и А.M. Витринская

Авторское свидетельство СССР

209717, кл. С 12 Q 3/00, 1982.

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАЯ ДРОЖЖЕЙ

Использование: в микробиологической мышленности, в частности в производхлебопекарных дрожжей. Сущность соба выращивания дрожжей в периодикой культуре с притоком питательной. Ж„„1792970 А1.среды заключается в том, что расход углеводного, ми 1ерального и витаминного питания осуществляют по определенным алгоритмам, при этом дозирование углеводного, минерального и витаминного питания осуществляют в зависимости от текущих значений количества биомассы, ее концентрации и экономического коэффициента использования субстрата. Применение данного способа управления периодиче. ским процессом выращивания хлебопекарных дрожжей позволяет максимизировать производительность ферментеров и экономический коэффициент использования.субстрата. Данный способ может быть положен в основу АСУТП и использоваться в микробиологической промышленности для получения микробной биомассы.

Согласно другому способу оптимальное управление культивированием хлебопекарных дрожжей осуществляют при помощи 3-х параметров: дыхательного коэффициента, скорости потребления кислорода и концентрации остаточного субстрата.

Существуетспособ управления ферментацией дрожжей, основанный на пдддержании концентрации этанола в культуральной жидкости или отработанном газе на заданном уровне.

В основу on-line оптимального контроля для полунепрерывного культивирования дрожжей положены также концентрация биомассы и удельная скорость роста, определяемые по балансовым и кинетическим уравнениям, введенным в форме стехиометрических зависимостей.

1792970 лагая зуме вита равл карс изоб ние в димь тэкж тина

15 тина

25

ЗО

45 щим алгоритмам

) — 1) CiV —

50 — (1 — у) g Q}<

Все известные способы имеют. недостатки. Способы управления процессом, основанные на поддержании RQ на заданном уровне обеспечивают у дрожжей, подверженных действию глюкоэного эффекта, в частности S. cerevisiae, максимальный выход биомассы, но производительность при этом невысока.

Применение способа управления на основании скорости потребления кислорода, Qo2 и концентрации субстрата требует дополнительного определения.еще 4-х параметров: РО2, ко центрации СО2 и 02 в отработанном газе и концентрации остаточ-... ного сахара, Этот способ обеспечивает высокий выход биомассы в пределах низких концентраций дрожжей, не выше 70 г/л и не более 0,22 ч. B периодической культуре дрожжей невозможно определить остаточный сахар, т, к. его количество близко к О..Способы, основанные на поддержании концентрации этанола на определенном уровне не осуществимы в промышленных условиях, т. к, для постоянного определения концентрации этанола требуются черезвычайно сложные и дорогостоящие газовые хроматографы индивидуально на каждый дрожжерастительный аппарат, Способы, основанные на определении биомассы косвенными методами по кинетическим и стехиометрическим уравнениям ненаде>кны из-за нелинейности кинетических характеристик процесса с притоком питательной среды, и как следствие, неточности определения биомассы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ управления процессом культивирования, По этому способу дозировку углеводного и минерального питания осуществляют в расчете на предполагаемый прирост биомассы, который рассчитывают за весь цикл при разных засевах и скоростях роста, Недостатком известного способа является то, что во-первых коэффициент прироста за предыдущий час механически закладывается в расчет дозирования питания на следующий час, что не соответствует реальной кинетике данного параметра (коэффициента часового прироста); so-вторых, предлагаемый способ управления не является гибким, так кэк привязан к графикам часового прироста дрожжей, составляемых для всего цикла при разных величинах засева и скорости роста; в-третьих, способом не предусматривается увеличение продуктивности процесса, а только выхода íà 12%, причем автор не указывает по сравнению с каким выходом происходит это увеличение, Автор также не упоминает о добавке биотина (или детиобиотина), правильно по, что это естественным образом подравается, так как без добавления этого мина становится бессмысленным упение процессом культивирования пеких дрожжей. В предполагаемом же ретении предусматривается дозироваитамина в количествах, строго необхоix для прироста биомассы, при этом е учитывается высокая стоимость биоили era предшественника — детиобиоЦель изобретения — увеличение продуктивности процесса и экономического коэффициента использования субстрата до значений, близких к теоретически максимальным в данных условиях

Поставленная цель достигается за счет того, что дозирование углеводного и минерального питания осуществляют в зависимости от концентрации биомассы, ее количества в аппарате и экономического коэффициента использования субстрата, полученных к данному моменту времени.

Сведения о подобном подходе к автоматическому управлению процессом культивирования в научной и патентной литературе отсутствует.

Сущность способа заключается в том, что слюбымпостоянным интервалом времени, но не более часа, определяют концентрацию биомассы, ее количество в аппарате и выход к данному моменту времени, а дозирование углеводного питания осуществляют в расчете на максимально возможную в данных конкретных условиях скорость роста биомассы, которая является параболической функцией концентрации дрожжей, максимальный выход достигается за счет того, что при расчете дозы питания на последующий интервал времени из этой дозы вычитается количество неутилизированного к моменту измерения субстрата

Расчет дозировки углеводного и минерального питания производится по следуюГде ц(+1 количество раствора мелассы, которое необходимо подать в течение интервала времени Лх = ц+1- гь следующего за моме нтом последнего измерения

r (r; можно придавать значения от 0 1 до 1 ч) 1792970!.

ф— максимально возможная в данном аппарате концентрация биомассы; !

С вЂ” текущая концентрация клеток;

А — коэффициент пропорциональности между скоростью и ри роста биомассы — а и ее (концентрацией — C; а= f(C), гд f — параболическая функция:

Qi+1=(1 + (cm-ñ,lÀi

Чи ленное значение А определяется при сп дующих условиях;

i=o:

Лт=rl+1 — т(=1ч;

Cm — определяется экспериментально;

: Ci = Со — начальная концентрация биома сы; а(+1 = а — начальный коэффициент часо ого прироста, величина которого опреде яется экспериментально; А = са1 — 1}

Св — Со

vi — объем культуральной жидкости в момент измерения концентрации клеток;

Х 0i — масса израсходованной стандартн и мелассы ко времени измерения — r;;

yl — выход или зкономический коэффици нт использования субстрата к моменту вр мени z;;

С(vl Со <о

- -Ы—

vo — начальный объем культуральной д кости;

К вЂ” коэффициент перерасчета массы ндартной мелассы на объем раствора наальной мелассы: ст ту

СВ 46

d со 2 ах

СВ и Q»< — содержание сухих веществ браживаемых сахаров (в %) в натуральмелассе;

d и сЬ вЂ” плотность и содержание сухих еств в растворе мелассы;

46 — содержание сбраживаемых сахав стандартной мелассе (в %). гд и но ве ро

Pl+1= g(1+ (Cm С() А) . СМ—

hz . — CoVo)mp mp g Pl) — ° (2) о к 1

m,p""

Н+ =У+ (С..С)А) СМЛт. — CoVo)mingÑ вЂ” (mxK g (+ map g Pi+!

+ пщ" " :0()))1/гп(чк (3) ! !

Бн-1 = ((1 + (С Ci) А ) CiVi— — CoVo)mE ), Б((4) где Рн-1, Nl+t, Бн-1 — количество фосфор-, азотсодержащего компонента и биотина

5 (или детиобиотина), которые необходимо подать в течение интервала времени

T: = (+1 — wi, mp, mN, mi-, — необходимое содержание в дрожжах(в массовых долях) FzQs, азо10 та и витамина, соответственно;

mp, пщ — массовая доля Р205 и азота к к в дозируемых фосфор- и азотсодержащих компонентах; в(ч — массовая доля азота в дозируюР щем фосфорсодержащем компоненте (a случае использования диаммоний фосфата s качестве источника фосфора);

); Рь, Г, Ц, ; Б(— количества израсхо20 дованных фосфор-, азотсодержащих компонентов и витамина, соответственно, ко времени измерения - ц, Пример 1, Дрожжи выращивают в лабораторном ферментере общим обьемом 3 л. Пожиток уг- леводного и минерального питания осуществляют по описанным алгоритмам, Исходные данные для расчета дозировки углеводного питания:

3" С = 30 г/л; Cm = 200 г/л; а1 = 1,30 г/г ч; Vo= 1 л; Лт= 1 ч

ЙЗО-1 52 4 „4

200 - 30

35 К= —.=1,658 см /г.

В конце 4-го ч культивирования получены следующие данные:

С4 = 69,6 г/л; V4 = 1,15 л; 04 = 62,5 г;

69,6 . 1,15 — 30," 08

40 у4 62,5 0Я

Подставив эти данные в формулу(1), узнаем, какое количество мелассы следует добавить в течение 5-го часа культивирования:

Qs = 1+ (200 — 6,96) 5,29 10 69,6х

-4 . х1,15 — (1 — 0,8) 62,5= 8,5 г мелассы или 8,5х1,658 = 14,09 - 15 мп р-ра . мелассы, Исходные данные для раСчета до50 зировки минерального питания и биотина:

m в = 0,0065; mpK(4 aMM.фа.) 0 50. про

Р

= 0,018 о

mg = 0,21 (чр = 0,19; (п(ч" " = 0,003;

55 (пв = 2,5 10

За 4. часа культивирования израсходовано: мелассы 62,5 г диаммонийфосфата 0,7 г сульфат аммония 3,0 r биотина 1,3 105 r, 1792970

) — 1) CiV)— цн- =(((1 + — (1 — у)) X О)} К, + мел О,))}1/ „к

Подставив указанные данные в формулы (2)

- (4), получим кол-во солей и биотина, которые необходимо израсходовать в течение

5-го часа культивирования: диаммонийфосфата— 5

Pp=(((1+ (200 — 69,6) 5,29 10 ") х х69,6 1,15 — 30,1) 0,0065 — 0,5 0,7}

=0,22 г 10 сульфата аммония—

Ns = (((1 + (200 — 69,6) .5,29 10 )х х69,6 1,15 — 30,1) 0,018 — (0,21 . 3+

+ 0,19 07+ 0,003 62,5)} =45; биотина—

Бь= ((1+ (200 — 69,6) . 5,29 10 ")x

x69,6 . 1,15 — 30) 2,5 10 — 1,3 . 10

= 05 10 r

В конце культивирования концентрация би- 2 омассы 200 г/л. Среднее время генерации

Формула изобретения

Способ автоматического управленйя процессом культивирования дрожжей путем изменения подачи углеводного и минерального питания, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени процесса культивирования и увеличения выхода, дополнительно вводят витамины, при этом ко.личество вводимого углеводного и минерального питанйя витаминов определяют по следующим формулам:

Pt+i = {((1+ (Cm С ) А ) С Н вЂ”

CpVp)mp mp g Р)} о к 1

)пр

И+,=-(((1+ (С.. С)А) . СМhr . — CpVp)ITICÐ-(mg „" Ni+mtv g Pi+

E,+1= ((1+ (Сл, С)) А) СМ—

hr, — Со /о) п Б

3,35 часа при кратности разбавления мелассы" 1:5,6. Экономический коэффициент утилизации субстрата 1.06 r дрожжей/г мелассы.

Пример 2. Процесс ведется в промышленном ферментере общим объемом 60 м . Начальная концентрация 10 г/л, к концу з процесса 93 гlл, экономический. коэффициент утилизации мелассы 1,0 (100%), среднее время генерации 3,15 часа.

Сопоставление предлагаемого способа с известными показывает следующие его преимущества: способ обеспечивает переработку концентрированных сред (разбавление 1:5,6) с высокой производительностью аппаратов и выходом биомассы, близким к максимально возможному (до 110%); способ обеспечивает экспоненциальный характер размножения м/о с временем генерации 3,0-3,4 ч и достйжение высокой концентраций биомассы за короткий срок.

Таким образом, предлагаемый способ является новым и полезным. где о)+ — количество растворов мелассы, которое необходимо подать в течение интервала времени Лt = ti+I — г, следующего за моментом последнего измерения т), C — максимально возможная в данном аппарате концентрация биомассы;

Со — начальная концентрация;

С) — ее текущее значение;

А — коэффициент пропорциональности;

Vi — объем культуральной жидкости в момент измерения концентрации биомассы;

Vp — начальный объем культуральной жидкости; уь,), Q) — экономический коэффициент использования субстрата, масса израсходованной стандартной мелассы к моменту времени t), К вЂ” коэффициент пересчета массы стандартной мелассы на обьем раствора натуральной мелассы;

Рн-, М;+1, Б +1 — количества фосфор-, азотсодержащего компонента и биотина (или детиобиотина), которые необходимо подать в ферментер в течение интервала времени Лг = т)+1- -т),. вр, mt/, m6 — необходимое содержание в дрожжах(в массовых долях) РгОв, азота. витамина, соответственйо;

1792970

10! ер, ти — массовая доля Р205 и азота в дозируемых фосфор- и азотсодержащих компонентах; пщ — массовая доля азота в дозируер м м фосфорсодержащем компоненте (например диаммоний фосфате); пщ" " — массовая для утилизируемого азота в мелассе;

Составитель М.Казекин

Техред М,Моргентал Корректор А.Мотыль

Редактор С.Кулакова

Заказ 482 Тираж Подписное

8НИИПИ 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

I ! ! !, Рь Q Ni, g 6i — количества израсходованных фосфор-, азотсодержащих компонентов и витамина соответственно ко времени измерения xi .