Система автоматического управления периодическим процессом ферментации

 

(72) Авторы изобретения

A.À. Мунгиев, В. Ф.Лубенцов, А. H. Бабаянц, Ю. Г. Колпиков и Л. П. Л осев

Грозненское научнопроизводственное объедин

"Пром автоматика" (7l ) Заявитель (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАБИИ

Изобретение относится к автоматичес кому управлению периодическими процессами выращивания микроорганизмов и может быть использовано в производствах микробиологической и химико-фармацевти5 ческой промышленности.

Известно устройство для контроля концентрации продуктов биосинтеза в периодических процессах выращивания микроорганизмов, содержащее пробоотборник, измеритель и блок сравнения текущего значения концентрации с предыдущим, а также импульсатор, повторитель со сдвигом и ячейку задержки сигнала на такт, в котором один из раэнополярных входов блока сравнения подключен к измерителю, а другой соединен с измерителем посредством повторителя со сдвигом и ячейки задержки сигнала на такт 1 j.

Недостатком известного устройства является то, что определение момента достижения максимума концентрации целевого продукта, синтезируемого в процессе биосинтеза, не соответствует моменту

2 оптимального окончания периодического процесса для своевременного отключения аппарата, что приводит к снижению про изводительности процесса и увеличению затрат.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является система автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая контуры регулирования температуры, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик и блок задания оптимального зна» чения измеряем го параметра, соединенные с регулятором непосредственно и через переключающие реле исполнительный механизм, контур определения оптималь» ной продолжительности процесса, включающий блок измерения концентрации пелевого продукта процесса биосинтеза, последовательно соединенные таймер и пероговый элемент, вычислительный блок дифференцирования и логический блок, связанный через командный блок и пере

3 9784 ключаюшие реле с эадаюшими входами ,регуляторов температуры, аэрации и киолотности среды в аппарате, расходомеры, установленные на линии подачи субстрата, титранта и пеногасителя, и блок измерения мощности, потребляемой при перемешивании (2)

Недостатком данной системы является

TD что она не обеспечивает максимально-. го акономического аффекта от процессов щ микробиологического синтеза продуктов вторичного метаболизма и высокой эффективности испоньэования затрат, поскольку затраты и потери целевого продукта при выделении и очистке его не учитываются при определении оптимальной длительности процесса.

Белью иэобретейия является увеличение выхода целевого продукта.

Указанная цель достигается тем, что система автоматического управления периодическим процессом.ферментации, содержащая контуры регулирования температуры, подачи воздуха на аэрацню и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик и блок задания оптимального значения измеряемого параметра, соединенные с регулятором непосредственно и через переключающие реле, исполнительный механизм, контур определеЗО ния оптимальной продолжительности процесса, включающий блок измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, последовательно соединенные таймер и пороговый алемент, вычислительный блок, блок дифференцирования и ло35 гический блок, связанный через командный блок и переключаюшие реле с задающими входами регуляторов температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате, 49 расходомеры, установленные на линии по» дачи субстрата, титранта и пеногасителя, и блок измерения мошности, потребляемой при перемешивании, снабжена блоком интегрирования расходов субстрата, ти-. транта, пеногасителя и мощности, потребляемой при перемешивании, блоками измерения времени подготовки аппарата к работе и связанными между собой посредством сумматора блоками формирова-. ния потерь целевого продукта и затрат, при этом последний соединен с выходами блока интегрирования расходов и мощности, связанными соответственно с преобразователями расходов и мощности, а вычислительный блок одним из своих входов подключен через умножитель к блоку измерения концентрации целевого продукта пропесса .биосинтеза, другим

31 ф при помощи переключающего реле подключен к пороговому элементу и дополните ному сумматору, связанному с блоком измерения времени подготовки аппарата к работе и таймеру, а третьим соединен с сумматором.

На чертеже представлена блок-схема предложенной системы автоматического управления периодическим процессом ферме нтации.

Система содержит контуры регулирования температуры подачи воздуха на аэрацию, кислотности среды и давления в ферменте 1, контур определения оптимальной продолжительности процесса, командный блок.

Контур регулирования температуры включает датчик 2 температуры, выход которого подключен к переменному входу регулятора 3, к задающему входу котсрого подключен выход блока 4 задания оптимального значения температуры в аппарате посредством переключающего реле 5, выход регулятора 3 связан с исполнительным механизмом 6, установленным на линии подачи охлаждающей воды в змеевики или рубашку аппарата.

Контур регулирования подачи возду=ха включает датчик 7 расхода воздуха, подключенный к переменному входу регулятора 8, к задающему входу которого подключен выход блока 9 задания оптимального значения подачи воздуха на аэрацию,посредством переключающего реле 10, выход регулятора 8 связан с исполнительным механизмом ll, установленным на линии подачи воздуха на аэ рацию.

Контур регулирования кислотности среды в аппарате включает датчик 1 2 рНметра, подключенный к переменному входу регулятора 13, к задающему входу которого подключен выход блока 14 задания оптимального значения кислотности сре- ды в аппарате посредством переключаюшего реле 15, выход регулятора 13сое-. динен с исполнительным механизмом 16, установленным на линии подачи титранта, регулируюшей величину рН культуральной жидкости в ферментере 1.

Контур стабилизации давления в ферментере 1 содержит датчик 17,,связанный с переменным входом регулятора 18, задающий вход которого соединен с выходом командного блока 19, выход регулятора 18 связан с исполнительным меха-. низмом 20, установленным на линии отходяших нз ферментера газов.

5 9764

Контур определения пптимальной продолжительности процесса включает блок

21 измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, подключенный к входу блока 22 умножения на постоянный коэффициент. Множитель объема культуральной жидкости блока 22 умножения получен с учетом коэффициента заполнения ферментера. Выход блока 22 умножения подключен к вычислительному блоку 23. Один вход последнего посредством переключающего реле 24, управля ющий вход которого подключен к выходу порогового элемента 25, соединен с сумматором 26, входы которого подключены 15 к выходу таймера 27 и выходу блока 28 измерения времени подготовки ферментера к работе. Другой вход вычислительного блока 23 соединен с выходом сумматора 29, один вход которого подключен к блоку 30 формирования затрат, а другой вход — к блоку 31 формирования потерь целевого продукта. К блоку 30 фор31 6

3,8 и 13, где сравнивается с заданным значением, которое формируется с помощью блока задания оптимального для данного момента времени значения соответствующего параметра. Возникающий при этом сигнал рассогласования по каждому измеряемому параметру вызывает соответствующее изменение сигнала на выходе регуляторов 3,8 и 13, поступающее на вход исполнительных механизмов 6, 1 1 и 1 6, с помощью которых изменяются расход воды на охлаждение, расход воздуха на аэрацию и расход титранта, обеспечивающие оптимальные условия процесса по температуре, величине рН и растворенного О как на стадии роста культуры, так и на стадии биосинтеза целевого продукта. Таким образом, с помощью указанных контуров регулирования обеспечивается поддержание основных технологических парал.етров на оптимальном уровне. мирования затрат подключены выходы блока 32 интегрирования расходов и мощ-25 ности по числу входов блока 32, кото30 цию и кислотности среды в аппаратуре.

Измерение текущего значения соответсч» 55 вующего параметра осуществляется с помощью датчиков 2,7 и 12. Сигнал с выхода последних поступает на регуляторы рые соединены с датчиками 7,33-36 расхода воздуха на аэрацию, расхода воды на охлаждение, расхода субстрата, расхода титранта, расхода пеногасителя и блоком 37 измерения мощности.

На входы блоков 31 и 32 поступают сигналы от аппаратов других стадий технологического процесса, с уче ом которых формируются суммарные затраты на получение и выделение целевого продукта, а также потери его, возникающие на стадиях выделения и очистки. Выход вычислительного блока 23 подключен на вход блока 38 дифференцирования, соединенного с логическим блоком 39, выход которого подключен к входу командного блока 19, выход которого одновременно связан с переключающими реле 5,10 и

15 и е исполнительным механизмом 40 слива культуральной жидкости.

Система автоматического управления периодическим процессом ферментации работает следующим образом.

С помощью блоков задания оптимального значения измеряемого параметра перед началом процесса ферментации задают оптимальные значения регулирования температуры расхода воздуха на аэра35

iO

По мере дальнейшего протекания про цесса ферментации в связи с накапливающимися продуктами обмена и уменьшением количества питательных веществ скорость процесса биосинтеза начинает снижаться, а концентрация целевого продукта продолжает медленно увеличиваться. Несмотря на то, что концентрация целевого продукта не достигла максимального значения, дальнейшее продолжение процесса оказывается нецелесообразным, поскольку в связи с невысокой скоростью процесса увеличения концентрации целевого продукта происходит незначительно, зато с увеличением длительности . процесса происходит увеличение текущих затрат на ведение процесса, причем максимальная производительность пропесса, т.е. концентрация целевого продукта,,деленная на время, складывающееся из времени подготовки ферментера к работе (Тп) и времени соответственно процесса ферментации (Тф), достигается в момент времени до получения максимальной концентрации целевого продукта. В связи с этим для определения момента оптимального окончания процесса одновременно с началом ведения процесса включается таймер 27, осуществляющий измерение длительности процесса. Поскольку для получения условий стерильности, необходимых для осуществления процесса ферментации в стерильных условиях, проводится ряд подготовительных операций по подготовке ферментера к работе, предшествующих собственно процессу биосин7 9764 теза, то время, затраченное на подготовку аппарата к работе, измеряется блоком

28 измерения времени подготовки аппарата к работе. Сигналы с выхода таймера

27 и блока 28, пропорциональные текушей длительности процесса биосинтеэа и времени подготовки аппарата к работе, поступают на сумматор 26, выход которого посредством. переключаюшего реле 24 подключен к вычислительному блоку 23. fQ

В связи с большой длительностью процесса

-4 биосинтеэа не имеет смысла производить определение момента оптимального окончания процесса на первых часах роста культуры, поскольку затраты при этом превышают величину А()- Ч Ц, характеризующую выход целевого продукта биосинтеэа. При нелинейной зависимости функционала во времени, характериэуюшего выход процесса ферментации, опреде- а ление момента оптимального окончания процесса производится, начиная с заданного момента времени, устанавливаемого на пороговом элементе 25. Сигнал, пропорциональный длительности процесса, с вы- 2 хода таймера 27 поступает на вход сумматора 26, где складывается с временем, затраченным на подготовку аппарата к работе, и одновременно на вход порогового элемента 25. При равенстве текушего,значения времени процесса биосинтеза заданному значению, установленному на пороговом элементе 25, на выходе последнего возникает сигнал, поступающий на управляющий вход переключающего

35 репе 24, который с этого момента времени начинает коммутировать сигнал, пропорциональный текущей длительности процесса с выхода сумматора 26 на вход вычислительного блока 23, на который также поступает сигнал, пропорциональный количеству целевого продукта с выхода блока 22 умножения, и сигнал, пропорциональный затратам и потерям целевого продукта, с выхода сумматора 29.

С этого момента времени вычислительный блок 23 начинает определять величину отношения А() ° У 11-3()-3о-П 11/

/Т@ +Т . Преобразованный сигнал, про- порциональный величине получаемого отно50 шения, поступает на вход блока 38 дифференцирования. Если текущее значение скорости, определяемое с помощью блока

38 дифференцирования, не равно нулю, то логический блок 39 делает вывод о несоответствии длительности процесса моменту оптимального окончания его и nportecc накопления продуктов биосинтеза продолжается. При этом сигнал на выходе командного блока 19 равен нулю и сигнал на переключающие реле 5,10 и 15 не поступает.

Последние продолжают коммутацию выходного сигнала блоков 4 9 и 14 на задающие входы регуляторов 3, 8 и 13, которые с помощью исполнительных механизмов 6, 11 и 16 осуществляют поддержание температуры, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в ферментере 1 на оптимальном уровне. При этом на входы блока 32 интегрирования расходов и мощности продолжают поступать сигналы с соответствующих датчиков 7, 33-36 расходов измеряемых потоков и блока 37 измерения расхода мошности.

Согласно поступающим текущим значениям расходов и значениям, заданным от агпиратов стадии выделения и очистки, блок

30 формирует текущие затраты на получение целевого продукта и последуюшей обработки слива культуральной жидкости, содержашей целевой продукт. Сигнал с выхода блока 30 формирования затрат, а также преобразованный сигнал с выхода блока 29, пропорциональный потерям целе. вого продукта при выделении с очистки его на последующих технологических стаднях, поступакт на сумматор 29, с выхода которого сигнал, пропорциональный потерям и затратам, поступает на вход вычислительного блока 23, на другие входы которого поступают также сигналы, пропорциональные концентрации пелевогD продукта и длительности фермэнтера к работе.

Когда же процесс биосинтеза замедляется настолько, что скорость изменения отношения, определяемого в вычислительном блоке 23, становится равной нулю, то сигнал с выхода блока 38 дифференцирования на вход логического блока 39 не поступает. В этом случае логический блок 39 делает вывод о соответствии длительности процесса биосинтеза моменту оптимального окончания его,который характеризуется тем, что значение вычисленного отношения в блоке 23 не изменяется. Выходной сигнал логического блока 39 при этом поступает на вход командного блока 19, который дает команду на переключение реле 5,10 и 15, которые в этом случае прекращают коммутацию сигнала с выхода блоков 4,9 и 14 на эадаюшие входы регуляторов 3,8 и 13 и осуществляют коммутацию такого задания регулятором 3,8,13 и 18 с выхода командного блока 19, чтобы исполните ные механизмы 6,11,16 и 20 устанс 9764 вились в положения, соответствующие окончанию процесса. Например, с помощью исполнительного механизма 6 прекращается подача охлаждающей воды, с помощью исполнительного механизма 11 прекращается подача воздуха на аэрацию, с помощью исполнительного механизма 16 прекращается подача- средь|, регулирукьшей величину рН культуральной жидкости в ферментере, а с помощью исполнитель- 10 ного механизма 20 осуществляется блокнровка аппарата DT окружающей среды.

Одновременно сигнал с выхода командного блока 19 через логический блок (не показано), формирующего условие готов- 1s ности последующей стадии к переработке очередного слива культуральной жидкости из ферментера 1, поступает сигнал, включающий исполнительный механизм 40 слива готовой культуральной жидкости. 20

После окончания исполнительный механизм слива отключается.

Использова ние предлагаемой системы автоматического управления периодическим процессом ферментации позволит повысить 25 экономическую эффективность процесса и составит 34,4 тыс.руб. на одном ферментере, годовой объем производства составит 326400.

Формула изобретения

Система автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая контуры регулирования температурь, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик и блок задания оптимального значения измеряемого параметра, соединеннъ е с регулятором непосредственно и через переключающие реле, исполнительный механизм, контур определения оптимальной продолжительЗ1 10 ности процесса, включающий блок измерения концентрапии целевого продукта процесса биосинтеза, посчедовательно соединенные таймер и пороговый элемент, вы- числительный блок, блок дифференпирования и логический блок, связанный через командный блок и переключающие реле с задающими входами регуляторов температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате, расходомеры, установленные на линии подачи субстрата, титранта и пеногасителя, и блок измерения rom« ности, потребляемой при перемешивании, отличающаяся тем,что,с, целью увеличения выхода целевого продукта, она снабжена блоком интегрирования расходов субстрата, титранта и цен гасителя и мощности, потребляемой при перемешивании, блоками измерения врсмени подготовки а:плрата к работе и связанными между собой посредством смма тора блоками формирования потерь нолевого продукта и затрат, гри этом последний соединен с выходами блока интегрирования расходов и мощности, связанными соответственно с преобразователями расходов и мощности, .а вычислительный блок сдюжу из своих входов подключен через умножитель к блоку измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, другим при помощи переключающего реле подключен к пороговому элементу и дополнительному сумматору, связанному с блоком измерения времени подготовки аппарата к работе и таймеру, а третьим соединен с сумматором.

Источники информации, и принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

¹ 467099, кл. С 12 В 1/08, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2774111/13, кл. G 05 .0 27/00, 1979.

976431

Составитель Г. Богачева

Редактор Т. Кугрышева Техред 3.Палий Корректор Н. Буряк

Заказ 9003/75 Тираж 914 Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„д. 4/5 филиал ППП "Патент, r Ужгород,, ул. Проектная, 4