Способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов

 

Изобретение относится к автоматическому управлению процессами выращивания микроорганизмов и направлено на повьшение точности поддержания оптимальной температуры в биореакторе . В результате развития микроорганизмов в биореакторе 1 увеличивается тепловыделение, измеряемое датчиком 2 интегрального теплового потока. В результате сравнения изме- ,ренного фактического значения скорости изменения теплового потока с пороговым (0,1) значением схема автоматики вырабатывает корректирующий сигнал , пропорциональный интегральному количеству тепловыделений в биореакторе . Регулятор 11 подачи хладагента осуществляет коррекцию подачи хладагента в соответствии с данным си:- налом и учетом морфологического и ,-, физиологического состояния вьфащиваемых микроорганизмов, устанавливаемого датчиком 9 количества и структуры микроорганизмов. 5 ил. (Л ю 00 00 Ci О5

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 С 05 D 27 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К AВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ИЬ. g,g. ееюп

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 37?2004/28-13. (22) 20.07.84 (46) 07.02.87. Бюл, № 5 (71) Бердский химический завод (72) В.П.Дараган, А.Д.Корнеев, Б.В.Прилепский и Ф.H.×åãîäàåâ (53) 663.11 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 700538, кл. С 12 М 1/36, 1978.

Авторское свидетельство СССР

¹ 819800, кл. С 05 D 27/00, 1979. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (57) Изобретение относится к автоматическому управлению процессами выращивания микроорганизмов и направлено на повышение точности поддержания оптимальной температуры в биоре„„Я0„„! 288660 А 1 акторе. В результате развития микроорганизмов в биореакто1.е 1 увеличивается тепловыделение, измеряемое датчиком 2 интегрального теплового потока. В результате сравнения изме, ренного фактического значения скорости изменения теплового потока с пороговым (О, 1) значением схема автоматики вырабатывает корректирующий сигнал, пропорциональный интегральному количеству тепловыделений в биореакторе. Регулятор 11 подачи хладагента осуществляет коррекцию подачи хладагента в соответствии с данным сигналом и учетом морфологического и физиологического состояния выращива- ® емых микроорганизмов, устанавливаемого датчиком 9 количества и структу- ры микроорганизмов. 5 ил. С:

Изобретение относится к автоматическому управлению процессами выращивания микроорганизмов и может быть использовано в производстве микробиологической, пищевой и медицинской 5 промышленности.

Целью изобретения является повышение точности поддержания оптимальной температуры в биореакторе.

Сущность способа заключается в том, что подачу хладагента осуществляют при достижении скорости изменения теплового потока в процессе выращивания микроорганизмов порогового значения de/dT. > 0,1 в сравнении со среднестатистическим стандартным графиком кинетики теплового потока из биореактора, при этом коррекцию подачи хладагента осуществляют в соответствии с величинами фактического значения теплового потока и мор-. фологического и физиологического состояния выращиваемых клеток микроорганизмов.

На фиг. 1 приведена система, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 и 3 — кривые кинетики тепловыделений при культивировании микроорганизмов, на фиг. 4 и 5 — кривые, от-30 ражающие состояние культуры в процессе роста и развития.

Система состоит из аппарата для выращивания микроорганизмов — биореактора 1,датчика 2 теплового интегрального потока, блока 3, определяющего величину тепловыделения в биореакторе 1, блока 4 дифференцирования, определяющего фактическую скорость изменения теплового потока в 40 процессе выращивания микроорганизмов

d8 — факт., порогового элемента 5, сравнивающего фактическое (текущее) значение скорости изменения теплово- 45

de го потока — факт. с заданным знаd8

d Ò чением — задан, и вырабатывающего

de сигнал при достижении — факт. О, 1;

< 50 программного блока 6, в памяти которого находится среднестатистическая зависимость тепловыделений в процессе выращивания микроорганизмов от времени — блок 6 вырабатывает сигнал в строгом соответствии среднестатистической кривой кинетики тепловьщелений, блока 7 выработки управляющих воздействий, на который подают сигнал, пропорциональный величине теп ловыделения в биореакторе 1 с моменd6 та достижения 0,1; переключаюИт щего реле 8, предназначенного для передачи сигнала, пропорционального величине тепловыцелений в биореакторе 1, с момента времени достижения скорости изменения теплового потока

d8 — ? 0,1 датчика 9 определения коЙ (. личества микроорганизмов и их структурных характеристик, блока (О анализа структурных характеристик микроорганизмов, определяющего количество активных клеток, их морфологическое и физиологическое состояние, регулятора 11 подачи хладагента, связанного с исполнительным механизмом

12, установленным на линии подачи хладагента.

Способ автоматического управления периодическим процессом выращивания микроорганизмов осуществляют следующим образом.

В начальный период развития культуры (например Bacillus thuringiensis var. galleriae, выращиваемой при

29 С, Bacillus licheniformis, выращиваемой при 37 С) происходит адаптация микроорганизмов, при этом величина тепловыделений в биореакторе 1 в этот период постоянна и определяет"я расчеTHblM путем. Экспериментально установлено, что в период адаптации микроорганизмов скорость изменения теплового потока в биореакторе

d8 — c О, 1. Период адаптации культуры имеет значительный разброс во времени, что связано с качеством посевного материала, с составом питательной среды, объемом загрузки биореактора.

Поэтому начало изменений тепловыделений, связанных с развитием культуры во времени, колеблется в пределах 58 ч. В фазе адаптации микроорганизмов блок 7 выработки управляющих воздействий вйдает сигнал на регулятор 11, соответствующий постоянной величине тепловыделения в биореакторе 1, при этом подача хладагента через исполнительный механизм 12 соответствует величине тепловыделения в биореакторе 1 в период адаптации культуры.

После периода адаптации происходит увеличение количества вегетатив1288660 ных клеток и изменение структурных характеристик микроорганизмов, что приводит к изменению потребления культурой кислорода, повышению концентрации выделяющегося при дыхании 5 микроорганизмов углекислого газа и, соответственно, к увеличению тепловьделений в биореакторе 1.

Экспериментальные данные показывают, что зависимость выделяемого микроорганизмами тепла от времени их культивирования (кинетика тепловыделений) носит экспоненциальный характер и находится в строгой зависимости от структурных характеристик, морфологического, физиологического состояния культуры в данный момент ее роста и развития, Величина тепловыделений в процессе выращивания микроорганизмов через датчик 2 интегрального теплового потока регистрируется блоком 3, с выхода которого сигнал поступает на блок

4 дифференцирования, где определяет25 ся фактическая скорость изменения

d8 теплового потока — факт, в биоредл акторе 1. С блока 4 сигнал, nponopde циональный факт,, поступает на 30 с1 пороговый элемент 5, где сравнивается фактическое значение скорости

d8 изменения теплового потока 1 факт.

С в биореакторе 1 с заданным значением 35

dg — задан. и вырабатывается сигнал

cl

18 при достижении — факт. > 0,1.

cl r

С момента достижения скорости из- 40

de менения теплового потока-., факт, > 0,1

Д( с выхода блока 5 поступает разрешающий сигнал на блок 6, С выхода блока

6 на вход блока 7 управляющих воздей-ф5 ствий поступает сигнал, пропорциональный величине тепловьделений в биореакторе 1, в соответствии со . среднестатистической кривой кинетики тепловьделений в процессе выращивания50 микроорганизмов (фиг. 2 и 5), установленной экспериментальным путем.

Одновременно через переключающее реле 8 выхода блока 3 определения величины тепловьделений поступает в блок 55

7 выработки управляющих воздействий корректирующий сигнал, пропорциональный интегральному количеству тепловьделений в биореакторе 1. С выхода блока 7 на регулятор 11 поступает сигнал строго в соответствии со среднестатистической кривой кинетики тепловыделений культивируемых в биореакторе 1 микроорганизмов, с коррекцией по фактическому значению величины тепловыделений, регистрируемых датчиком 2 ° Исполнительный механизм 12 управляет подачей хладагента по сигналам регулятора 11.

Таким образом, регулирование подачи хладагента происходит по кривой тепловыделений (фиг. 2-5),которая определяет закономерность изменения тепловыделений во времени в процессе роста и развития микроорганизмов.Однако в зависимости от отклонений в составе питательной среды от качества посевного материа:-.а могут возникнуть отклонения в росте и р звитии активных клеток от среднестатистических зависимостей. В этом случае из блока 10 анализа состояния структурных характеристик микроорганизмов через датчик 9 поступает сигнал, пропорциональный фактическому значению количества активных клеток и их структурному состоянию, а в программном блоке б сравнивается с соответствующим значением по среднестатистической кривой структурных характеристик микроорганизмов и уточняется местонахождение точки регулирования по кривой кинетики тепловыделений в соответствии с действительным значени еМ количества активных клеток и их структурных характеристик. Так,если определенное блоком 10 анализа состояния структурных характеристик микроорганизмов количества активных клеток меньше (больше), чем то, которое определено кривой кинетики тепловыделений, происходит дополнительная корректировка положения точки регулирования влево (вправо) по кривой до значения, определенного блоком 10 °

На фиг. 2 и 3 представлены кривые кинетики тепловьщелений при культивировании микроорганизмов Bacillus

thuringiensis var. galleriae — продуцента средства защиты растений энтобактерина и Bacillus licheniformis — продуцента антибиотика бацитрицина, по которым осуществляют регулирование подачи хладагента. На фиг. 4 и 5 отражено состояние культуры в процессе роста и развития, обуславливающее ее структурные характеристики (вегетативные клетки, 1288660 Формула изобретения ккал час

6 .ъ Ю4 ъ4

Ю

g > О

+b g ф ф

% с

О 4 8 /2 fb Ы 24 28 Х2

7, час

Время роста кульаурь Вас Маг пу. var, уаНегйае(знвооакверии)

Фиа 2 а

Н?4 юий

УИ ъ 24О, .ф fN ф

N .4 8 Q В,И 24 28 Х2 Хб

Время росла культуры Вас. ИсЬелОо вс з(йщитрацин)

Фиа8

p VgC заспорованные клетки, полное высыпание спор), а также все тепло, выделяемое и поглощаемое при выращивании микроорганизмов.

Способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, предусматривающий поддержание оптимальной температуры в биореакторе путем изменения подачи хладагента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности поддержания оптимальной температуры в биореакторе, подачу хладагента осуществляют при достижении скорости изменения теплового потока в процессе выращивания микроорганизмов порогового значения М/dY>. 0,1 в соответствии со среднестатистическим стандартным графиком кинетики теплового потока биореактора и осущест10 вляют коррекцию подачи хладагента в соответствии с величинами фактичесI кого значения теплового потока и морфологического и физиологического состояния выращиваемых микроорганизмов.

l288660

l28866G

ММ

Составитель Л. Кудрявцева

РедактоР Л.ШандоР ТехРед H. ГлУ|яенко Корректор A Зимоково

Заказ 7807/46 Тираж Я85 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открь1тий

)13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 4

Ъ а

Ъ се

Ъ

М а

Ф й

В

Ъ ь

% Ич

Я ьм ь ф ф ф ЪЪ а 3 м ь >

°

Ъ

3 %