Система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере
Союз Советск ив
Социалистические
Республик
ОПИСЛНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. i i >940144 (6l) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 28. 07. 80 (21) 2957789/28-1 3 с присоединением заявки М (23) Приоритет (5!)М. Кл.
G 05 О 27/ОО
3Ьеудврстмлный комитет
СССР ве делам изобретений н открытей
Опубликовано 30. 06. 82. Бюллетень № 24 (53) УДК 663 °. 1(088. 8) Дата опубликования описания-О0,82
1 г
Д.П. Панов, В.М. Красняк, Il.III. ;Õoäàêîâ, Л..А. Музыченко и В.И. Валуев 1
1 (72) Авторы изобретения
Грозненское научно-производственное объединение
"Промавтоматика" (71 ) Зая в и тел ь (54) СИСТЕМА. АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ БИОСИНТЕЗА
МИКРООРГАНИЗМОВ В фЕРМЕНТЕРЕ
Изобретение относится к микробиологической промышленности и касается автоматического управления периодическим процессом получения продуктов жизнедеятельности аэробных мика роорганизмов в ферментере.
Известны системы автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере, содержащие контуры регулирова- о ния температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомассы, включающие датчик, регулятор и исполнительн: механизм, установленный соответственно на линии подачи охлаждающей воды, стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, блоки реализации адаптивной модели и отработки управляющих воздействий (1) и (21. го
Недостатком известных систем являет=я то, что проведение процесса в соответствии с адаптивной моделью вследствие высокого колебания параметров процесса биосинтеза от опера- ции к операции не всегда приводит к увеличению выхода целевого продукта.
Кроме того, известные системы обеспечивают лишь протекание процесса в соответствии с адаптивной моделью и не предусматривают вмешательства в ход технологического процесса, что приводит к низкому выходу продуктов биосинтеза.
Цель изобретения - повышение выхода целевого продукта.
Укаэанная цель достигается тем, что система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере, содержащая контуры регулирования температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомассы, включающие датчик, регулятор и исполнительный механизм, установленный соответственно на линии подачи охлаждающей воды, стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, бло940144
3 ки реализации адаптивной кодели и отработки управляющих воздействий, снабжена блоком сравнения, исполнительным механизмом, установленным на линии подачи стерильной воды, и датчиками концентрации продукта биосинтеза и уровня в ферментере, при этом последний через программный блок и блоки коммутации подключен к ис-. полнительным механизмам, установленным соответственно на линиях подачи стерильного воздуха и стерильной воды и питательных веществ, причем датчик концентрации продукта биосинтеза связан непосредственно с блоком адаптивной модели и через блоки дифференцирования и запоминания с. блоком сравнения, а последний соединен с блоками коммутации при помощи дополнительного командного блока.
На чертеже схематично изображена система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере.
Система автоматического управления содержит ферментер 1, контуры регулирования температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомассы,,ключгющие датчик 2 температуры, регулятор 3 и исполнительные механизмы 4-7, установленные соответственно на линии подачи охлаждающей воды, стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, блоки 8 и 9 реализации адаптивной модели и отработки управляющих воздействий, блок 10 сравнения, исполнительный механизм 11, установленный на линии подачи стерильной воды, и датчики
12 и 13 концентрации лродукта биосинтеза и уровня культуральной жидкости в ферментере 1.
С:стема содержит также датчик 14 кислотнасти среды 1О ° о 4 Датчик 13 уровня культуральной жидкости в ферментере 1 через программный блок 30 и блоки 19-21 коммутации подключен к исполнительным механизмам 6, 11 и 7, установленным соответственно на линиях подачи стерильного воздуха, стерильной воды и питательных веществ. Датчик 12 концентрации продукта биосинтеза связан непосредственно с блоком 8 адаптивной модели и через блоки 22 и 23 дифференцирования и запоминания с блоком 10 сравнения, при этом последний соединен с блоками 19-21 коммутации при помощи командного блока 24. Выход блока 19 коммутации подключен к входу регулятора 31 подачи воздуха в аппарат, а выход регулятора 31 соединен с исполнительным механизмом 6 подачи стерильного воз-. духа. Система работает следующим образом. Процесс получения продуктов вторичного метаболизма аэробных микроорганизмов, в частности аминокислот, например лизина, требует соблюдения жестких требований к параметрам среды по температуре и кислотности. Полученные искусственным путем мутантыпродуценты целевого продукта чувствительны к изменению внешних условий, что требует поддержания температуры и рН среды на постоянном уровне. Стабилизация температуры и кислотности среды осуществляется следующим образом. Сигналы от датчиков 2 и 14 температуры и кислотности среды поступают на входы регуляторов 3 и 15, на которых предварительно установлены в качестве задания оптимальные значения этих параметров, которые сравниваются с поступающими с датчиков 2 и 14 сигналами. Возникающий при этом сигнал рассогласования по каждому параметру вызывает соответствующее изменение сигнала на выходе регуляторов 3 и 15, устанавливающих c Ao мощью исполнительных механизмов 4 и 5 значения температуры и кислотности, соответствующие оптимальным условиям протекания процесса микробиологического синтеза, путем подачи хладагента и аммиачной воды. Изменение управляющих воздействий при отклонении параметра управления от задаваемого оптимального уровня осу35 5 940 ществляется так, чтобы миниминизировать разность текущего и задаваемого значения параметра. Кинетика процесса роста и развития аэробных микроорганизмов и син- 5 теза продуктов их жизнедеятельности осуществляется следующим образом. В начальный период ферментации происходит интенсивный процесс деления клеток и увеличение их размеров, что приводит к увеличению концентрации микроорганизмов в среде по закону, близкому к экспоненциальному. Образование новых клеток происходит вследствие переработки углеводов и 15 поэтому концентрация последних в среде резко уменьшается. Растворенный B культуральной жидкости кислород расходуется на образование новых клеток и на поддержание жизнедеятель- 2О ности существующих, поэтому концентрация кислорода в среде монотонно уменьшается. Ilo истечении некоторого периода времени - лагфазы, составляющей 6- 25 .8 ч, клетки синтезируют целевой продукт, концентрация которого в среде постепенно увеличивается по закону, близкому к экспоненциальному. Через 24-30 ч характер зависимости концентрации субстратов от времени меняется, число делящихся клеток уменьшается, и прирост концентрации микроорганизмов в среде постепенно исчезает, а абсолютная величина этой концентрации становится постоянной. Углеводы расходуются только на образование целевого продукта, и темп снижения их концентрации в среде уменьшается. Растворенный в культу- 40 ральной жидкости кислород расходуется в основном на поддержание жизнедеятельности существующих клеток, поэтому его концентрация постепенно повышается. Единственным управляющим воздействием на ход процесса является количество воздуха, подаваемого на аэрацию, которое изменяет концентрацию растворенного в среде < кислорода и, следовательно, влияет на концентрацию всех остальных субстратов. Математическое выражение в виде зависимости концентрации ра створенного кислорода от текущей информа55 ции о состоянии культуры набирается в блоке 8 реализации адаптивной мо,дели. При поступлении информации на .вход блока 8 реализации адаптивной 144 6 модели от датчиков 16, 17, 12 и 18 концентрации микроорганизмов, углеводов, целевого продукта и растворенного кислорода математическое выражение решается и вычисленное значение передается на вход блока 9 управляющих воздействий, где отрабатываются управляющие воздействия определенной величины, которые через канал связи поступают на задающий вход регулятора 31, устанавливающего с помощью исполнительного механизма 6 соответствующие значения расхода аэрирующего воздуха. Одновременно сигнал с датчика 12 концентра- ции продукта биосинтеза поступает на блок 22 дифференцирования по времени, в котором вычисляется производная по времени от значения концентрации целевого продукта. Вычисленное значение поступает на блок 23 запоминания значения производной в предыдущий момент времени и блок 10 сравнения, в котором сравниваются текущее значение производной по времени концентрации целевого продукта со значением этой же величины в предыдущий момент времени, например в предыдущую минуту при дискретном измерении. Если текущее значение производной выше ее значения в предшествующий момент времени, с командного блока 24 на управляющие вхоцы блоков 19-21 коммутации подается сигнал, который обусловливает в блоке 19 соединение выхода блока 9 отработки управляющих воздействий с входом регулятора 31, а в блоках 20 и 21 — коммутацию выхода командного блока 24 на входы регуляторов 25 и 28 концентрации углеводов в культуральной жидкости и расхода стерильной воды, причем сигнал с командного блока 24 осуществляет такое задание регуляторам 25 и 28, которое устанавливает исполнительные механизмы 7 и 11 подачи питательных веществ и стерильной воды в положение максимального закрытия. В момент, когда текущее значение производной по времени от концентрации целевого продукта станет меньше или равным значению этой же величины в предыдущий момент времени, с выхода командного блока 24 дается сигнал на управляющие входы блоков 1921 коммутации, которые с этого момента осуществляют коммутацию сигналов с выходов датчиков 16-18 на вхо7 i340144 ды регуляторов 31, 25 и 28. С этоrG момента, -оответствующего достиwài-:.ì: максимальной скорости биосинтеза целевого продукта, подаются такие сигналы, которые установят исполнительные механизмы 7 и 11 в положение, при котором обеспеч ивается постоянство концентраций углеводов, микроорганизмов и растворенного кислорода в среде. 8 аппарате поддержива- 4щ ются условия для максимальной скорости 5носинтеза целевого продукта. Сум:",атор 26 отрабатывает управляющее воздействие, равное разности между =: гналами с регуляторов 28 и 25. Необходимость такого вычитания обусловлена тем„ с регулятора 28 расхода стерильной воды подается сигнал, обеспечивающий расход подпиточной жидкости, который застабилизирует концентрацию микроорганизмов в среде, а для поддержания концентрации расходуемых питательных веществ в ферментер 1 подается концентрированный раствор углеводов, который д также разбавляет биомассу. Поэтому. из емкости 29 стерильной воды расходуе-..ся жидкости на величину расхо" <.-,с . РаСТЗОРа УГЛЕВОДЗВ МЕ-,;.;ЬШЕ, ТВК, чTG суммарный расход пОдпитОчной жид кости Обесгечивает постоянство концент Рации мкроорганизмОв ° рракрически рас од жидкости для ."-;зба-1лени;-" биомассь; больше расхода ко-;увит вz:, рованного рас i во", g угле . О .О- Е" ЛИ З " ТВОО ДРСт "Р ТОЧНО КОНцентрированный р например. 2О-30 рр р поэтому выходной сигнал суиркатора Ь всегда положительный. 3d ci49T Bнв ".ени р !Одпиточных жидкостей Объем :-,ультуральной жидкости в аппарате аел чивается вглоть до достижения йаКС/ÌàÏÜНО ВОЗМОЖНОЙ ВЕЛИЧИНЫ р ПОС ле че -".". сигнал с датчика 13 уровня кУльтУР рльнОЙ жиДкости постУпает на 4$ =..ход программного блока 36, который, à -r команду:;.а переключен "e коммутиру-яих бпоков 19-21 в исходное no" :,-;Ожер,;;е,,е. прекращается коммута i YiR сii, i";ñëëG с датчиков 1 6 1 8 на входы;егvj i.R: GpGB 1 р 2 Yi 28 р и си (Q нал к .;:::.)Утирует "я с выхода блока отрабо ск;-i управляющих воздействий :-;а à:Gä регулятора 31 через блок 19 КОММ:ТС:.".li И р а СИГНаЛ С КОМаНДНОГО блока 2-". поступающий на входы ре- . "уляторов 25 и 28, осуществляет установление исполнительных механизмов 7 и 11 в положение максималь ного закрытия. Подача подпитки прекращается, Управление на заключительной стадии процесса осуществляется подачей воздуха в соответствии с адаптивной моделью. Ферментация может быть прекращена при выполнении регламентных ограничений, например, при снижении концентрации углеводов в среде до допустимого уровня. Предлагаемая система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере позволяет по сравнению с известной увеличить выход целевого продукта на 23 путем оптимального проведения периодического процесса биосинтеза с подпиткой. Формула изобретения Система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере, содержащая контуры регулирования температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомассы, включающие датчик, регулятор и исполнительный механизм, установленный соответственно на .линии подачи охлаждающей воды, стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, блоки реализации адаптивной модели и отработки управляющих воздействий, отличающаяся тем, что, с целью повышения выхода целевого продукта, она снабжена блоком сравнения, исполнительным механизмом, установленным на линии подачи стерильной воды, и датчиками концентрации продукта биосинтеза и уровня в ферментере,,при этом последний через программный блок и блоки коммутации подключен к исполнительным механизмам, установленным соответственно на линиях подачи стерильного воздуха и стерильной воды и питательных веществ, причем датчик концентрации продук а биосинтеза связан непосредственно с блоком адаптивной модели и через блоки дифференцирования и запоминания с блоком сравнения,а последний соединен с блоками коммутации при помощи дополнительного командного блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Работнова И.Л. Хемостатное культивирование и ингибирование роста. И., "НаУка", 1979, с. 17. 2. Авторское свидетельство СССР И 488847, кл. С 12 8 1/08, 1972. 940144 Тираж 914 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам .изобретений и открытий 113035, йосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 4667/70 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель А. Бражникова Редактор С. Крупенина Техред Е.Харитончик Корректор И. Иуска
