Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61} Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 12.01.81(21} 3259222/28-13 ($g) М Кд з

G 05 D 27/ОО, с присоединением заявки М" (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДЫ бб3.123 (088 . 8) Опубликовано 23.1282. Бюллетень Мо 47

Дата опубликования описания 23 ° 12. 82

Ю. Ю. Назявичюс, A. Х. Горелик, Ю.-К. Ю. СтЪ|иящ1с и P. Ю. Симутис (72) Авторы изобретения

Ленинградское. специализированное пусконаладочное упРавление треста "Севзапмонтажавтоматика" (71) Заявитель (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ .НЕПРЕРЫВНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Изобретение относится к системам автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов и может .быть использовано на предприятиях микробиологической промышленности, например, при производстве кормовых дрожжей.

Известны системы для автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащие контуры регулирования подачи воды на разбавление, объема культуральйой среды; и подачи питатель- ных веществ, блок расчета расхода питательных веществ, связанный с расходомером воды на разбавление и датчиком объема, осуществляющие изменение расхода воды на разбавление в соответствии с расходом питательной среды и концентрацией питательных веществ ) 1) и (2).

Недостатком систем для автоматического управления биосинтезом микроорганизмов применительно к процессу непрерывного выращивания кормовых дрожжей является нестабильность поддержания основных параметров процесса, что обусловливает снижение эффективности использования питательной среды и роста биомассы.. Изменение состава и концентрации питательных веществ, подаваемых в ферментер, не обеспечивает оптимального ведения процесса, стабильного качества выходного продукта, что затрудняет его дальнейшую переработку, селекцию ныращиваемого нида культуры микроорганизмов, его сепарирование.

Управление процессом непрерывного выращивания микроорганизмов по величине экономического коэффициента использования, т.е. отношению выращенн ной биомассы к количеству ис 1ользованного субстрата, также не дает высокой точности поддержания заданного качества вЫращенной биомассы, так как этот коэффициент зависит от содержания компонентов субстрата и его постоянно необходимо корректировать, что составляет известную трудность из-за отсутствия надежных датчиков концентрации.

Наиболее близким техническим решением является система автоматического управления процессом непрерывного вы" ращивания микроорганизмов, содержащая блок определения скорости роста микро.организмов, связанный с датчиками расходов питательной среды и нейтрализующего раствора, датчики расхода воз983668 духа, подаваемого в ферментер, содержания кислорода в отходящих газах и кислотности питательной среды, узлы стабилизации температуры, объема и кислотности культуральной среды j 3$.

Недостатком этой системы автоматического управления процессом непре5, рывного выращивания микроорганизмон является то, что она не может обеспечить необходимой точности управления и эффективного использования питательного о субстрата, так как не может компенсировать возмущения, возникающие при изменении состава и концентрации йитательной среды. Данная система оппелеляет скорость роста микроорганизмов н ферментере по разности расходов субстрата и аммиачной воды. При этом аммиачная вода используется одновременно как для регулирования кислотности культуральной среды в ферментере, танк и для стабилизации кислотности субстрата, на при этом н системе не учитывается концентрация микроорганизмов в ферментере. При изменении свойств подаваемой питательной среды система не может полностью скам =- 25 пенсировать возмущения, что снижает эффективность использования питательной среды.и качество выхода биомассы.

Цель изобретения — оптимизация процесса непрерывного выращинания 30 микроорганизмов, снижения удельного расхода питательных вещестн и повыщения продуктивности по биомассе.

Указанная цель достигается тем, что система автоматического управле- 3$ ния процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая блок определения скорости роста микроорганизмов, связанный с датчиками расходов питательной среды и нейтралиэу- щ ющего раствора, датчики расхода воздуха, подаваемого в ферментер, содержания кислорода в отходящих газах и кислотности питательной среды, узлы стабилизации температуры, объема и кислотности культуральной среды, до- . полнительно снабжена блоками управления расходом и концентрацией питательной среды, блоками определения удельной скорости роста и концентрации микроорганизмов в ферментере, блоком динамической связи и функциональным блоком, входы которого соединены с выходами датчиков расхода воздуха и содержания кислорода, а выход — с входом блока концентрации микроорганизмов, к другому входу которого подключен блок определения скорости их роста, дополнительно связанный с датчиками кислотности питательной и культуральной среды, причем выход блока Я концентрации микроорганизмов соединен с входами блоков управления расходом питательной среды и определения удельной скорости роста микроорганизмов, последний своим вторым входом связан 65 с блоком скорости раста, а выходомс блоком управления концентрацией питательной среды, другой нход которого подключен к блоку динамической связи, соединенному с выходом блока управления. расходом питательной среды, а выходы блоков управления связаны с соответствующими исполнительными механизмами на линиях подачи питательной среды и воды для разбавления.

На чертеже изображена блок-схема, реализующая систему автоматического управления процессом непрерывнога выращивания микроорганизмов.

Свежая питательная среда — субстрат, продукт предыдущего технологи— ческого процесса, например,:Целлюлозна-бумажного производства, обогащен— ная солями, подается в дрожжерастительный аппарат — ферментер, откуда культуральная среда — бражка отводится на сепараторы. Сепараторы и аппараты варки целлюлозы на чертеже не показаны. Состав и концентрация питательных веществ меняются в зависимости ат режима варки целлюлозы.

Б процессе жизнедеятельности микроорганизмы увеличивают кислотность культуральной среды. Для компенсации разбаланса кислотности в ферментер подается нейтрализующий раствор аммиачная. вода. Для компенсации изменений концентрации, субстрата в линию его подачи подается вода.

С целью обеспечения устойчивости характеристик процесса непрерывного выращивания микроорганизмов, а также компенсации возмущений на процесс их роста, предварительно стабилизируются такие режимные параметры, как температура культуральной среды, ее кислотность и объем в ферментере.

Температура среды в ферментере стабилизируется путем воздействия на расход охлаждающей воды, пропускаемой через холодильник. Изменение расхода воды на охлаждение осуществляется по сигналу датчика 1 температуры культуральной среды, подключенного на вход регулятора 2, который воздействует на связанный с ним исполнительный механизм 3, установленный на линии подачи охлаждающей воды.

Кислотность культуральной среды, которая меняется как от изменения состава субстрата, подаваемого в ферментер, так и в связи с процессом роста и жизнедеятельности микроорганизмов, стабилизируется путем воздействия на расход аммиачной ноды. Изме-, нение кислотности среды в ферментере фиксируется датчиком 4, который соединен с регулятором 5, сочлененным с исполнительным механизмом 6 на линии подачи аммиачной воды. Расход нейтралиэующего раствора измеряется расходомером 7.

983668.ментер.. Если удельная скорость роста микроорганизмов выию заданной, то необходимо снижать концентрацию

:подаваемого субстрата, если ниже заданной — уменьшать подачу воды на ,разбавление субстрата.

Сигнал, пропорциональнйй удельно скорости роста микроорганизмов, формируется в блоке 15, который соединен своими входами с блоками 8 и 11, в соответствии с уравнением:

V с„

Расход субстрата в ферментер регулируется блоком 16 управления, который получает сигнал от блока 11,и, воздействуя на исполнительный механизм 17, связанный с ним и установленный на линии подачи суботрата, изменяет его подачу, восстанавливая тем самым концентрацию микроорганизмов в культуральной среде.

Расход воды на разбавление субстрата регулируется блоком управления

18, который своим входом соединен с блоком 15 и через блок динамической связи 19 — с блоком управления 16| а выходом — с исполнительным меха»ниэмом 20, установленным на линии подачи воды. Блок 19 служит для улучшения динамических характеристик, системы, корректируя соотношение субстрат-вода в переходном режиме управления.

Объем культуральной среды в ферментере.стабилизируется на эаданнам уровне регулятором 21, который воздействует на связанный с ним исполнительный механизм 22, в соответствии с сигналом датчика 23.

Использование предлагаемой системы автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов обеспечивает по сравнению с известной системой оптимальное управление процессом, снижение удельного расхода питательных веществ, по вышение производительности дрожжерас тительного аппарата и повышение качества выходного продукта. Это достигается за счет поддержания удельной скорости роста и концентрации микроорганизмов на оптимальных значениях.

По сравнению с базовым объектом пред- . лагаемое изобретение обеспечивает снижение расхода питательных веществ в среднем на 2,7-3% и повышение производительности эа счет уменьшения времени переходных процессов на 1-1, 5Ъ;

Экономический эффект ат использования предлагаемой системы составляет 51,8 тыс.руб.

В процессе роста микроорганизмов изменяется содержание кислорода в 20 отходящих газах, зависящее также от количества воздуха, подаваемого в ферментер для непрерывного выращивания микроорганизмов. По изменению содержания кислорода в отходящих газах и скорости роста микроорганизмов в совокупности можно судить о концентрации биомассы в ферментере.

Для этого служит блок 11 концентрации микроорганизмов в ферментере, который своими входами соединен с блоком 8 и функциональным блокам 12, последний связан с датчиком 13 расхода воздуха и датчиком 14 содержания кислорода в отходящих газах. На выходе блока 11 формируется сигнал в соответствии с уравнением:

Скс= КЭОИ(21 — СО ) - K4V где С„с — концентрацйЯ микРаоРганиз- 40 мов в культуральной среде, СΠ— концентрация кислорода в

"2 отходящих газах, 21 -- концентрация кислорода в воздухе, 45

Q — количество воздуха, подаваемого в ферментер, U — скорость роста микроорганизмов

К„- К, - коэффициенты.

C другой стороны о состоянии процесса непрерывного выращивания микроорганизмов наибольшей информативностью обладает сигнал, характеризующий удельную скорость роста микроорганизмов. Удельная скорость роста микроорганизмов отражает также изменения концентрации питательной среды в ферментере.

Оптимизация процесса выращивания микроорганизмов осуществляется путем стабилизации на оптимальном значении удельной скорости роста микроорганизмов в фермейтере, что достигается путем регулирования расходов субстрата и воды на его разбавление в фер- 65

Формула изобретения

Система автоматического управления процессом непрерывного выращиваНа изменение кислотности культуральной среды оказывают влиянйе с дной стороны жизнедеятельность микоарганизмов, а с другой стороны расходы нейтрализующего раствора, питательной среды и ее кислотноств.

Таким образом, блок 8 определения скорости роста микроорганизмов своими входами соединен с датчиком 7 расхода нейтралиэующего раствора (Q ), датчиком 9 расхода пнтатель ной среды (Q ), датчиком 4 кислотности культуральной среды (рН„ ) и датчиком 10 кислотности питательной среды (р11п ) и вырабатывает сигнал, . пропорциойальный следующему соотно- 15 шению:

1 = К ГЧнр - К2.(РНкс- Ъс) 2пЗ.

983668

Составитель Г. Богачева

Редактор А. Козориз Техред М.Гергель Корректор Н. Буряк

Заказ 9922/57 Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г ° Ужгород, ул. Проектная, 4 ния микроорганизмов, содержащая блок определения скорости роста микроорганизмов, связанный с датчиками расходов питательной среды и нейтра- лизующего раствора, датчики расхода. воздуха, подаваемого в ферментер, содержания кислорода в отходящих га зах и кислотности питательной среды-, узлы стабилизации температуры, объэма и кислотности культуральной среды, отличающаяся тем, что, с целью оптимизации процесса непре рывного выращивания микроорганизмов, снижения удельного расхода питательных веществ и повышения продуктивности по биомассе, она дополнительно снабжена блоками управления расходом и концентрацией питательной среды, блоком определения удельной скорости роста и концентрации микроорганизмов в ферментере, блоком динамической связи и функциональным блоком, входы которого соединены с выходами датчиков расхоДа воздуха и содержания кислорода, а выход — с входом блока концентрации микроорганизмов, к другому входу которого подключен блок определения скорости их роста, дополнительно связанный с датчиками кислотности питательной и культуральной среды, причем выход блока концентрации микроорганизмов соединен с входами бло5 ков управления расходом питательной среды и определения удельной скорости роста микроорганизмов, последний своим вторым входом связан с блоком скорости роста, а выходом — с блоком

10 управления концентрацией питательной среды, другой вход которого подключен к блоку динамической связи, соединенному с выходом блока управления расходом питательной среды, а выходы

151блоков управления связаны с соответствующими исполнительными механизмами на линиях подачи питательной среды и воды для разбавления.

Источники информации, о принятые во внимание при экспертизе

1„ Патент США Р 3384553, кл . 195-95, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 595372, кл. С 12 Q 3/00, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 522228, кл. С 12 Q 3/00„ 1977.