Система автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов

 

Изобретение относится к управлению биотехнологическими процессами и может быть использовано на предприятиях микробиологической промышленности , использующих непрерывный технологический процесс микробиологического синтеза целевого продукта. Система содержит контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, уровня в ферментере, температуры и рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера. Кроме того, система содержит датчики 18 и 5, 21, 2 и 22 кислотности культуральной среды и субстрата, расходов аммиачной воды, подаваемого субстрата и отводимой среды соответственно, блок 25 определения текущей скорости роста, интегратор 26 и блок 27 деления для определения средней скорости роста микроорганизмов, также блоки 29, 35, 34 и 30 сравнения, переключения управления , последовательной и паралfff/l4 i (Л с ЛЛ Лиг /ff Cpfffa со со ГчЭ о со -

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (a) 4 С 12 Q 3/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСЛНИК ИЗОБРЕТЕНИЯ; ", К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ ы, (21) 4051714/31-13 (22} 07.04.86 (46) 30.04.88. Бюл. ¹ 16 (71) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (72) Г.И.Гваздайтис, Ю.-К.Ю.Станишкис, Д.Я.Левишаускас и M.В.Кондратавичюс (53) 663. 132(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1062262, кл, С 12 Q 3/00. (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО ВЫРАЦИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (57) Изобретение относится к управлению биотехнологическими процессами и может быть использовано на предприятиях микробиологической промышлен„„Я0„„1392097 д 1 ности, использующих непрерывный технологический процесс микробиологического синтеза целевого продукта. Система содержит контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, уровня в ферментере, температуры и рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера. Кроме того, система содержит датчики 18 и 5, 2 1, 2 и 22 кислотности культуральной среды и субстрата, расходов аммиачной воды, подаваемого субстрата и отводимой среды соответственно, блок 25 определения текущей скорости роста, интегратор 26 и блок 27 деления для определения средней скорости роста микроорганизмов, также блоки 29, 35, 34 и 30 сравнения, переключения управления, последовательной и паралоп

1392097

Контур регулирования подачи питательных солей содержит датчик 6 рас-. хода, регулятор 7 и исполнительньпЧ" механизм 8 на линии подачи питатель5 ных солей.

Контур регулирования уровня в ферментере включает датчик 9 уровня среды в ферментере, регулятор 10 и исполнительный механизм 1 1 на линии 1р подачи воды на разбавление, Контур регулирования температуры культуральной среды содержит датчик

12 температуры среды в ферментере, регулятор 13 и исполнительньй механизм 14 на линии подачи охлаждающей воды.

Контур регулирования растворенного кислорода среды включает датчик 15 растворенного кислорода в фер- 2р ментере, регулятор 16 и исполнительный механизм 17 на линии подачи воз- духа.

Контур регулирования рН включает датчик 18 рН среды в ферментере, ре- 25 гулятор 19 и исполнительньй механизм

20 на .линии подачи аммиачной воды, при этом датчиком 21 измеряют расход аммиачной воды.

Контур регулирования отбора среды 30 включает датчик 22 расхода на линни отбора среды, регулятор 23 и исполни,тельный механизм 24 на линии отбора среды.

Кроме того, система содержит блок

25 определения текущей скорости роста микроорганизмов, входы которого связаны с датчиком 21 расхода аммиачной воды, с датчиками .18 и 5 кислотности рН среды и подаваемого субстра- 4р та, с датчиками 2 и 22 расхода субстрата и отводимой среды, а выход - через интегратор 26 с блоком 27 деления, последовательнО соединенные блок 28 запоминания, блок 29 сравнения, блок 30 параллельной коррекции, задатчик 31 нижнего уровня, блок 32 .проверки на ограничения и коммутатор

33, последовательно соединенные блок

34 переключения управления, блок 35 последовательной коррекции, задатчик

36 нижнего уровня, блок 37 проверки на ограничения и коммутатор 38, а. также генератор 39 частоты и задатчи ки 40 и 41 верхнего уровня.. При этом выход блока 27 деления подключен к блоку 28 запоминания и блоку 29 сравнения, входы блока 34 переключения управления соединены с блоком 29 сравнения и блоком 35 последовательной коррекции, выход — с блоком 30 параллельной коррекции, выходы генератора 39 частоты соединены с интегратором 26 блоком 35 последовательной коррекции и коммутаторами 33 и 38, а выходы блока 30 параллельной коррекции и блока 35 последовательной коррекции подключены к генератору 39 частоты и задатчикам 31, 40, 36 и 41 нижнего и верхнего уровней, причем выходы задатчиков 40 и 41 верхнего, уровня соединены с блоками 32 и 37 проверки на ограничения концентрации субстрата и температуры среды.

Система работает следующим об1 разом.

Контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей и температуры культивирования в ферментере 1 обеспечивают циклические колебания соответствующих параметров, так как сигналы регуляторов 3 7, 13 -имеют форму прямоугольных импульсов.

Пределы колебаний задаются эадатчиками 3 1 и 40 нижнего и верхнего уровней концентрации питательного субстрата в среде, задатчиками 36 и 4 1 нижнего и верхнего уровней температуры культивирования, а период -, эадатчиком генератора 39 частоты.

Заданные значения этих параметров корректируются управляющими сигналами блока 35 последовательной коррек- . ции или блока 30 параллельной коррекции в зависимости от режима работы системы управления. С выходов задат" чиков нижнего и верхнего уровней сигналы подаются на блоки 32 н 37 проверки на ограничения, в случае невыполнения какого-то заданного ограни" чения соответствующий параметр сохраняет предыдущее значение, а последняя коррекция не учитывается, После проверки на заданные регламентные

1 ограничения сигналы нижнего и верхнего уровней концентрации субстрата подаются на коммутатор 33, а сигналы нижнего и верхнего уровней температуры культивирования — на коммутатор 38. Работой коммутаторов управляет генератор 39 частоты, посредством которого задается период цыслических колебаний. Он также проверяет период колебаний на заданные огра- ничения. Прямоугольные импульсы на выходе коммутатора 33 служат сигналом задания регулятору 3 подачи суб) 392097 страта и регулятору 7 подачи пита, тельных солей, а импульсы на Выходе

1 коммутатора 38 — сигь) а))ом задания регулятору 13 температуры регулирования среды в ферментере.

Перйод колебаний, значения нижне»rG и верхнего уровня концентрации субстрата и температуры культивирования корректируются, Осуществляя ) )) поиск максимальной скорости. роста ,микроорганизмов, при зацанных огра ничениях управляемыхeпараметров. Скорость роста определяется с помощью косвенных измерений, ))5

Сигнал, пропорциональный текущей скорости роста микроорганизмов, фсрмируется в блоке 25 согласно урав, HLHHfo ()) Bo сигналам От датчиков ))8,, 5, 31,2 и 22 кислотности культураль" 2О

) чой среды и субстрата, расходов ам, миачной воды, подаваемого субстрата и отводимой среды. С вь)хода блока 25 сигнал поступае" на интегратор 26„. в котором гроисходит суммирование 25 моментных значений GHGpocm роста микрООргзниэмОВ за Определенный пе риод времени. Время интегрирования зависит от инерционности процесса

<время интегрирования — это время 30 переходного процесса, вызванного изменением какого-ли1бс управляемого параметра, по которым веде)ся поиск (.максимальнОЙ скос)ости рос Га) .

Работой интегратора 26 у::.;Равляет Г ,) генератор 39 частоты„который задает период интегрирования и после окон1 чания этого периода передает информацию интегральной суммы на блок 27 деления и Осуществляет сбро. интегра- ))д

1 тора 26. g бло)се 27 де).ения происходит делбние ВКОдHGt o сигнала инте грал ьно -) с /ммы H 3 дл) гe"ел ьнОст ь пер ио " да интегрирования.

Сигнал блока 27 деления, пропорциональный средней скорости роста, поступает на блок 23 запоминания и блок 29 сравнения, где он сравнивает-ся с результатом предыдущего интегри-рования. Значение средней скорости

59 роста предьду)))е-;о периода интегрирования хранится н блоке 28 запоми-. нания.

Дня Осуществления п.)иска скОрости роста градиентяьм методом счачала необходHM(< Опледрляту ОстаBJ2BK)));! å

55 . градиента сред«ей с)<:ор.>сти рос)"а микроорганизмов к )<çìåH)å))Hÿ Отдельных координат у.)ра н геня я — ки)к него и верхнего уровней концентрации питательного субстрата, нижнего и верхнего уровней температуры культивирования и периода колебаний. Дпя этого блок 34 переключения управления Отключает блок 30 параллельной коррекции и включает блок 35 последовательной коррекции, который формирует сигнал приращения последовательно дпя каждой координаты управления. Последовательно Осуществляется изменение нижнего и верхнего уровней концентрации субстрата, нижнего и верхнего уровней температуры культивирования, периода колебаний, в блоке 29 сравнения среднее значение скорости роста сравнивается с его значением до изМЕНЕНИЯ СООтВЕтСТВУЮЩЕГО ПаРаМЕТРа, а результат сравнения передается на блок 30 параллельной коррекции, где определяются составляющие градиента средней скорости роСта для каждого параметра управления. После завершения Очередного периода тестироВания с генератора 39 частоты на блок 35 последснательной коррекции подается сигнал для переключения коррекции на следующий параметр.

Таким образом, за пять периодов тестирования процесс переводится на новое состояние, но это необходимо для определения направления градиента средней скорости роста. После "-авер/ аления режима тестирования блок 35 по" следовательной коррекции формирует управляющий сигнал блоку 34 переключения управления, которыи Отключает блок 3 ) последовательной коррекции н передает управление блоку ЗО параллельной коррекции. Последний одновре»

МР HHG фОрМИру)HÒ КоррЕКТИру)1ЛЦИЕ ВОЗ действия для всех парасметров управления с.огласно следующему ВыращРнию, u,=) Ë;; l.= ),-2,3,4,5., (2)

ГЦЕ ) f. — КОРОЕ)СТИРyЮЩЕЕ ВОЭДЕЙС ГВИЕ для 3 t G:параметра-,. .) Ч . — Сост ав,)"яющая градиента =ред- ней скс.рости роста к измеве.1 - сс) и ар аме я ) ".а ; т -,,3В pt пения „

1,; -- )1;.;p3MeT+ на)-т Оойки от кото pоGгG зависит быстродей"твие и стабильность системы

gÒtPßÁHeÍÈß а

Параметры )правлен).)я:

)п)))с)н)Й увс)вс яь )сонцен грации субстр» та

1392097

Составитель Г.Богачева

:Редактор T.Ëàçoðåíêo Техред И.Дидык Корректор C.шекмар. Заказ 1868/30 Тираж 520 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытпй

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, у.1. Проектная, 4

2 — верхний уровень концентрации субстрата;

3 — нижний уровень температуры культивирования;

4 - верхний уровень температуры культивирования;

5 - период колебаний.

Параллельная коррекция параметров циклических колебаний согласно градиенту средней скорости роста обеспечивает аффективное движение к экст, ремуму скорости роста микроорганизмов.

Через каждый шаг параллельной коррекции в блоке 29 сравнения сравнивается значение средней скорости роста эа последний период интегрирования с предыдущим. Если скорость роста увеличивается, направление градиента остается прежним. В противном 20 случае блок 34 переключения управления передает управление блоку 35 последовательной коррекции (при этом блок 30 параллельной коррекции отключается) и система переходит на 25 режим тестйрования для определения .нового направления .градиента средней скорости роста микроорганизмов, .после чего продолжается поиск экстремума.

Предлагаемая система позволяет 30 повысить скорость роста микроорганизмов на 2,7% по сравнению с известl ной при одинаковом расходовании питательных веществ и вести биотехно..логический прОцесс таким ОбразОм, ;чтобы обеспечить повышение произ"

1водительности микробиологического, -синтеза и эффективность использования питательных веществ.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 46

Система автоматического управле ния циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая датчики расхода,аммиачной воды и кислотности питательного субстрата, блок определения текущей скорости роста микроорганизмов, интегратор, блок деления, контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, температуры и рН среды, уровня в ферментере, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, отличающаяся тем, что, с целью повышения выхода биомассы, она снабжена последовательно соединенными блоками запоминания, сравнения, параллельной коррекции, задатчиком нижнего уровня, блоком проверки на ограничения концентрацин субстрата и коммутатором, последовательно соединенными блоками переключения управления, последовательной коррекции, эадатчиком нижнего уровня, блоком проверки на ограничения тем- . пературы культивирования и коммутатором, а также генератором частоты и двумя эадатчиками верхнего уровня, при этом выход блока деления подключен к блокам запоминания и сравнения, входы блока переключения управления ю соединены с блоками сравнения и последовательной коррекции, .выход - с блоком параллельной коррекция, вы." ходы генератора частоты соединены с интегратором, блоком последовательной коррекции и коммутаторами, а выходы блоков параллельной и последовательной коррекции подключены к генератору частоты и задатчику нижнего и, верхнего уровней, причем выходы sa-, датчиков верхнего уровня соединены с блоками проверки на ограннче « ния.