Система управления процессом культивирования микроорганизмов

 

Изобретение может быть использовано в производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков. Цель изобретения состоит в увеличении выхода биомассы и сокращении срока окупаемости за счет уменьшения времени запаздывания в каналах управления и увеличения эффективности коррекции. Система дополнительно содержит подсистему быстрой идентификации параметров модели, включающую блок 16 быстрой идентификации параметров модели, блок 17 контактов, коммутатор 18. Выход блока 16 быстрой идентификации параметров модели соединен с блоком 14 оптимизации, а входы его через нормально разомкнутые контакты соединены с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, устройством 7 ввода данных химического анализа и вычислителем 9 морфологических признаков. Другие выходы этих блоков через нормально замкнутые контакты подключены к блоку 13 идентификации, который через нормально разомкнутый контакт подключен к блоку 16 быстрой идентификации. Вход коммутатора 18 подключен к пульту 5 управления, а выход - к блоку 17 контактов. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 05 D 27/00

ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИЛ

Н А ВТ0РСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4460160/30-1 3 (22) 13. 07. 88 (46) !5,08.90. Б»»п. N 30 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ (72) К.А.Яновский, В.И.Шихер, А.Ю.Винаров, В.А.Маркелов, Б.П.Пантелеев, А.Ю.Варьяш, 10.В. Э1»ьяшева, А.K. Сычев, P.À.Íèçàìîâ и В.Г.Курочкин (53) 663.!(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1359773, кл. G 05 Р 27/00, 1985. (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (57) Изобретение может быть использовано в производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков. Цель изобретения состоит в увеличении выхода биомассы и сокращении срока окупаемости за счет уменьшения времени запаздыва„„SU„„1585785 A 1 ния в каналах управлен»ия и увеличения эффективности коррекции, Система дополнительно содержит подсистему быстрой идентификации параметров модели, включающую блок 16 быстрой идентификации параметров модели, блок

17 контактов, коммутатор !8. Выход блока 16 быстрой идентификации параметров модели соединен с блоком 14 оптимизации, а входы его через нормально разомкнутые контакты соединены с блоком 2 датчиков KOHTpoJIHpye мых параметров, устройством 7 ввода данных химического анализа и вычислителем 9 морфологических признаков.

Другие выходы этих блоков через нормально замкнутые контакты подключены к блоку 13 идентификации, который через нормально разомкнутый контакт подключен к блоку !6 бь»строй ицентификации. Вход коммутатора 18 подключен к пульту 5 управления, а выход— к блоку 17 контактов. 1 ил.

1585785

Изобретение относится к микробиологической промьппленности и может найти применение на заводах белкововитаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов. ! елью изобретения является увеличение выхода биомассы и снижение 10 срска окупаемости. системы.

На чертеже изображена структурная схема системы управлейия процессом культивирования микроорганизмов.

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3 суммирования, блока 4 исполни-

I тельных механизмов, пульта 5 управ- ( ленин, блока 6 начальных уставок 20 управляемых параметров, устройства

7 ввода данных химического анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, блока 25

10 памяти, блока 11 формирования сигналов коррекции, ключа 12 управления, блока 13 идентификации параметров модели, блока !4 оптимизации, сумматора 15, блока 16 быстрой идентификации параметров модели, блока

17 контактов, коммутатора 18.

Секции ферментера соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которых датчики оптической плотности (на чертеже не указаны) соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя 9 соединен с выходом 40 блока 10 памяти. В блоке 10 памяти записаны удовлетворительные решения на изменение управляемых параметров, а также отличительные морфологические и статистические признаки культуры 4 микроорганизмов, на основании которых ранее были приняты удовлетворительные решения, улучшившие экономические показатели процесса ферментации. (количества и качества продукта).

В блок 10 памяти поступают также данные с блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации и с устройства 7 ввода данных химического анализа. Выход блока 10 соединен с входом блока 11 формирования сигналов коррекции, на вход которого поступают данные с блоков 2,7 и вычислителя 9, Выход блока 11 формирования сигналов коррекции соединен через сумматор l 5 ключ 12 пупьта 5 управления с блоком

3 суммирования, Один из входов блока

13 идентификации через нормально замкнутые контакты III блока 17 контактов связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, другой— через нормально замкнутые контакты

III блока 17 контакта с выходом вычислителя 9 морфологических признаков, третий — также через нормально замкнутые контакты III блока 17 контактов связан с устройством 7 ввода данных химического анализа, а выход блока

13 идентификации параметров модели через нормально разомкнутые контакты IV блока 17 контактов связан с входом блока 16 быстрой идентификации параметров модели, выход которого соединен через блок 14 оптимизации с входом сумматора 15, другой вход сумматора 15 соединен с выходом блока 11 формирования сигналов коррекции, а выход сумматора 15 посредством ключа 12 управления соединен с пультом 5 управления и йлоком 3 суммирования.: Второй, третий и четвертый входы блока 16 быстрой идентификации параметров модели через нормальНо разомкнутые контакты IV 6J10Ka 17 контактов соединены соответственно с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, устройством 7 ввода данных химического анализа и вычислителем

9 морфологических признаков. Блок 17 контактов соединен с коммутатором

l8, вход которого подключен к выходу пульта 5 управления, Выход пульта

5 управления соединен также с входом блока 3 суммирования и с входом блока 10 памяти. Выход блока 6 начальных уставок управляющих параметров соединен с входом блока 3 суммирования, выход которого соединен с входом блока 4 исполнительных механизмов, изменяющих подачу компонентов в ферментер 1.

Система работает следующим образом.

Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12 устанавливается в нейтральное положение.

На пульт 5 управления и в олок 10 памяти поступают данные с блока 2 датчиков контролируемых параметров, вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7. При этом по данным с пульта 5 управления принимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6 ..

Значения величины и знака изменений подачи в ферментер 1 компонентов, регулирующих эти параметры, поступают с пульта 5 управления в блок 10 памяти, где они записываются на одну страницу рядом с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9, для которых принято решение на изменение параметров. Если решение положительно, то эта страница с данными блоков 2, 7 и вычислителя

9 и с соответствующим решением на изменение величины и знака компонента остается в блоке 10 памяти. Если решение отрицательно в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из.памяти.

На этой же странице записывается, во сколько раз увеличивается экономический показатель.

С заданным дискретом по времени описанный цикл повторяется, и из набранных страниц для данного типа сырья, например парафина, в блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения величины на изменение ком- . понент и получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти, При обучении нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от нормы, а нужно обрабатывать реально текущие процессы. После окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели, месяцы), производится математическая обработка полученных результатов (выбор метрики, высоких коэффициентов и т .д.), а затем ключ 12 ставится в такое положение, что система работает в режиме "советчика" (полуавтомата) следующим образом.

Текущие данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9 (т.е. существенно информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигналов коррекции, где они сравниваются по одному из алгоритмов распознавания образов с данными, записанными на страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями. Блок 11 выбирает из блока 1Q памяти данные той страницы у книги для заданного типа сырья, которые ближе всего к данным

85785 6 о текущего процесса, и с этой страницы берется записанное ранее положительное решение на изменение корректирующих значений изменений регулирующих параметров.

Если в режиме "советчика" система работает удовлетворительно, то ключ

l2 ставится в положение, при котором !

0. система переводится в автоматический режим работы, причем удовлетворительной. считается такая работа системы, когда при выполнении ее команд {"советов") экономический показатель не ниже того, который записан на странице памяти, В случае, если он оказывается выше, то прежняя страница стирается и для данного показателя записываются новые данные и решения по ним.

В качестве существенно информационных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок !

О памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются пока25 зания датчиков контролируемых параметров по всей технологической лйнии процесса ферментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры микроорганизмов

30 (самих микроорганизмов, включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из необходимых точек технологической линии процесса ферментации.

Морфологические параметры включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т.д., причем в качестве признаков принимаются статистические

4р характеристики этих параметров, статистические характеристики культуры микроорганизмов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа, дан45 ные химического анализа с устройства 7.

Система управления процессом ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпа5(j дают с признаками эталонного, оптимального.

Локальная оптимизация (блок 13 идентификации параметров модели, блок 14 оптимизации и сумматор 15) уточняет и дополняет работу системы управления.

На вход блока 1-3 идентификации из вычислителя 9 поступают значения морфолого-физиологических параметров,1585785

8 сколько часов, порядка 10 ч) и теоретических, рассчитанных по модели в блоке идентификации значений Х, S, N, P °

5 — - (— -)

So х х аА

+я(Х ИА 2 о;

1 + p, я - В,;

No — (— -)

Х 4

2

)+к(бх — (DX) >pÄ) (пХ)„4

Pp P — --(— ) Х Х А

4 P

N0

Х 50Д

81

S)Sg 1 а также с блока 7 значения концентр ций биомассы (Х), остаточных углево дородов (S), фосфора (P<0<), азота (й), а также из блока 2 расходы ком понентов питания углеводородного (Бо) фосфора (Ро) азота (Мо), скорости разведения (D), объема аппарата (V).

В блоке 13 идентификации рассчиты- 10 ваются коэффициенты математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры (МФ параметры) и параметров среды (S, М, P) путем минимизации суммы квадрата l5 разностей экспериментальных (за нео

+ PqN 3> и w N + р — 3 + 3 1 — 1l (Р + 4 где g — весовые коэффициенты; т Р (»)>à4 (Х),ЫДА (Х)Зов (Х) ц ные номинальные значения, Я, S 11, Н Г 1P< — нижнее и верхнее регламентные значения концентра— ций остаточных углеводородов, фосфора, азота; 3 — константы.

С блока оптимизации сигналы коррекции поступают на сумматор 15. На другой вход сумматора 15 поступает сигнал управления U<

" — К <" корр+ КгБобцц где U . .— общий сигнал управления;

U „ - сигнал управления, получаемый локально-оптимиза- ционной частью системы; о „ - сигнал управления полу

50 чаемый обучающейся частью, системы;

К K — удельные коэффициенты.

В случае отказа обучающейся части

К.,= Q, 55

1

Предложенная система может рабо.тать как в режиме советчика, так

tt !1 и в автоматическом режиме, для чего

На вход блока оптимизации поступают с блока идентификации текущие значения коэффициентов математической модели и затем в блоке рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания (So, N, Р ) и скорости разведения (П) таким образом, чтобы обеспечить минимум заданного критерия. Íàпример, на Башкирском БХК испытывается критерий:

Р,«сР Р

) Р

Р (Р ключ 12 ставится в необходимое поло« жение.

Блок 13 идентификации определяет глобальный минимум критерия поиска коэффициента модели

Р Э т.е. мийймума суммы квадратов разностей расчетных Х и эксперименталь(! ных Х значений вйходных параметров

\ процесса (концентрации биомассы, морфофизиологических активных клеток, концентрации остаточных компонентов питания — парафина, азота, фосфора, кислорода...) . Определение глобального минимума блоков 13 ицентификации позволяет использовать в блоке быстрой идентификации 16 быстрые алгоритмы вариационного исчисления для поиска минимума одноэкстремального критерия, например алгоритмы, основанные на методе минимума обобщенной работы.

Полученные коэффициенты модели поступают в блок 14 оптимизации. С сумматора 15 сигналы управления по° ступают на пульт 5 управления, с которого сигнал поступает в коммутатор

18, переключающий контакты III (замыкаются) и IV (размыкаются).

Дпя ускорения идентификации перед сеансом коррекции работает блок 13 идентификации (многоэкстремальный), 1585785 контакты III блока 17 контактов нормально замкнуты, группа контактов IV нормально разомкнута. При поступлении с пульта 5 управления сигнала начала сеанса коррекции в коммутатор 18 срабатывает блок 17 контактов, контакты III размыкаются, а контакты группы

ТЧ замыкаются и начинает работать блок 16 быстрой идентификации (одноэкстремальный), Начальные условия для работы блока 16 (приближенные значения коэффициентов модели) поступают с блэка 13 через один из замкнувшихся контактов IV, а с блоков 2, 7, 15

10 поступают в блок 16 начальные условия по выходным параметрам процесса биосинтеза через остальные замкнувшиеся контакты группы IV ° Работает блок 16 быстрой идентификации 20 в течение 3-5 с — на каждый ферментер, И до начала следующего сеанса коррекции работает блок 13.

Таким образом, использование системы управления процессом культивирования микроорганизмов, дополнительно снабженной блоком быстрой идентификации параметров модели, блоком контактов и коммутатором за счет уменьшения времени запаздывания в каналах 30 управления, позволяет увеличить эффективность коррекции (уменьшить минимизируемый критерий управления), т.е. продуктивность, выход биомассы DX увеличить на 5Х с 2,6 до 2,73 г/л ч и уменьшить стоимость системы, сократив тем самым срок окупаемости системы с 7 до 5 мес для Башкирского биохимического комбината, где будет внедрена система управления на 19 фермен- 40 терах, и используется одна управляющая ЭВМ (и одна в резерве) вместо

19 ЭВМ.

Формула изобретения

Система управления процессом культивирования микроорганизмов, включающая последовательно соединенные ферментер, блок датчиков контролируемых параметров, пульт управления, блок суммирования и блок исполнительных механизмов, выход которого подключен к ферментеру, последовательно соединенные блок сканирующих микроскопов, вход которого подключен к- фермен55 теру, вычислитель морфологических признаков культуры микроорганизмов, блок памяти, блок формирования сигналов коррекции„ сумматор, ключ управления, первый выход которого соединен с пультом управления, а второй — с блоком суммирования, а также блок начальнь1х уставок управляемых пара метров, выход которого подключен к входу сумматора, устройство ввода данны;. химического анализа, вход которого соединен с ферментером, а первый выход — с пультом управления, второй выход — с входами блоков формирования сигналов коррекции и памяти, блок оптимизации, выход которого подключен к сумматору, и блок идентификации параметров модели, при этом входы блоков памяти, суммирования и формирования сигналов коррекции соединены с выходом блока датчиков контролируемых параметров, входы пульта управления и блока формирования сигналов коррекции подключены к выходу вычислителя морфологических признаков культуры микроорганизмов, вход- блока памяти соединен с выходом пульта управления, второй выход блока памяти — с вторым входом вычислителя морфологических признаков культуры микроорганизмов, о т л и— ч а ю ц а я с я тем, что, с целью увеличения выхода биомассы и сокращения срока окупаемости системы, она дополнительно снабжена блоком быстрой идентификации параметров модели, блоком контактов и коммутатором, причем выход блока быстрой идентификации параметров модели соединен с блоком оптимизации, а входы его через нормально разомкнутые контакты блока контактов соединены с выходами блоков датчиков контролируемых параметров и идентификации параметров модели, устройства ввода данных химического анализа и вычислителя морфологич ских признаков культуры микроорганизмов, входы блока идентификации параметров модели через нормально замкнутые контакты блока контактов соединены с выходами блока датчиков контролируемых параметров, устройства ввода данных химического анализа и вычислителя морфологических признаков культуры микроорганизмов, вход коммутатора соединен с пультом управления, а выход кол мутатора — с блоком, контактов.