Система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано в производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, является дополнительным к авт.св. N 1359773. Цель изобретения состоит в увеличении выхода биомассы. Система дополнительно содержит подсистему дополнительной коррекции скорости протока суспензии, включающую блоки 16, 17 суммирования значений подачи питания (парафина), подключенные к выходу блока 10 памяти, блок 18 вычитания, блок 19 сравнения, блок 20 заданных значений коррекции подачи питания, ключ 21 коррекции скорости протока и блок 22 заданных значений коррекции скорости протока, причем входы блока 18 вычитания подключены к выходам блоков 16, 17 суммирования значений подачи питания, а выход блока 18 вычитания соединен с блоком 19 сравнения, другой вход которого подключен к блоку 20 заданных значений коррекции подачи питания, а выход блока 19 сравнения соединен с ключем 21 коррекции скорости протока, соединяющим блок 22 заданных значений коррекции скорости протока с блоком 3 суммирования сигналов коррекции. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК ()9) (В

А2 ($))5 С 05 0 27/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1359773 (21) 4459881/30-13 (22) 13.07.88 (46) 15.08.90. Бюл . У 30 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеэа белковых веществ (72) K.À.ßíîâñêèé, В.И.Пикер, А.N.Винаров, В.А,Маркелов, Б.П.Пантелеев, А.!О.Варьяш, О.В.Великанов, Г.В.Лавре-. нов, А.П.Ткаченко, A.Г.ЛукЬяненко и В.В.Томчак (53) 663.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1359773, кл. С 05 D 27/00, 1985. (54) СИСТЕпА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССО 1

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ИИКРООРГАНИ3110В В

ФЕРКЕНТЕРЕ (57) Изобретение относится к микробиологической промышленности и может бьггь использовано в производстве белково-витаминных концентратов, Ферментов, антибиотиков, является дополнительным к авт.св..)» 1359773 ° Цель

2 изобретения состоит в увеличении выхода биомассы. Система дополнительно содержит подсистему дополнительной коррекции скорости протока суспензии, включающую блоки 16,17 суммирования значений. подачи питания (парафина), подключенные к выходу блока 10 памяти, блок 18 вычитания, блок 19 сравнения, блок 20 заданных значений коррекции подачи питания, ключ 21 коррекции скорости протока и блок 22 заданных значений коррекции скорости протока, причем входы блока 18 вычитания подключены к выходам блоков 16, 17 суммирования значений подачи питания, а выход блока 18 вычитания соединен с блоком 19 сравнения, другой вход которого подключен к блоку

20 заданных значений коррекции подачи питания, а выход блока 19 сравнения соединен с ключом 21 коррекции ско- . рости протока, соединяющим блок 22 заданных значений коррекции скорости протока с блоком 3 суммирования сигналов коррекции. 1 ил.

1585786

Изобретение относится к микробиологической промьпппенности и может быть использовано на заводах белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов.

Целью изобретения является увели-. чение выхода биомассы.

На чертеже изображена структурная 1О схема системы управления процессом . культивирования микроорганизмов.

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3 суммирования сигналов коррекции, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока .6 начальных уставок управляемых параметров,устройства 7 ввода данных химического .анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, блока 10 памяти, блока 11 формирова- .25 ния сигналов коррекции, ключа 12 управления, блок 13 идентификации параметров модели, блока 14 оптимизации, сумматора 15, блоков 16 и 17 суммирования значений подачи питания (па- < рафика), блока 18 вычитания, блока 19 сравнения, блока 20 заданных значений коррекции подачи питания, ключа 21 коррекции скорости протока, блока 22 заданных значений коррекции скорости протока.

Секции ферментера 1 соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которых датчики оптической плотности (не показаны) соединены с ®0 первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя 9 соединен с выходом блока 10 памяти.

В блоке 10 памяти записаны удовлетво- 45 рительные решения на изменение управ« ляемых параметров, а также отличительные морфологические и статистические признаки культуры микроорганизмов, на основании которых ранее приняты удовлетворительные решения, улучшившие экономические показатели процесса hepментации (количества и качества продукта). В блок 10 памяти поступают также данные с блока 2 датчиков конт55 ролируемых параметров процесса ферментации и с блока 7 ввода данных химического анализа ° Выход блока 10 памяти соединен с входом блока 11 формирования сигналов коррекции, на вход которого поступают данные с блоков 2 и 7 и вычислителя 9. Выход 11 блока формирования сигналов коррекции соединен через сумматор 15, ключ 12 пульта 5 управления с блоком 3 суммирования сигналов коррекции. Один из входов блока 13 идентификации связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, другой - с выходом вычислите- ля 9 морфологических признаков, третий — с устройством 7 ввода данных химического анализа, а выход блока 13 идентификации параметров модели связан с входом блока 14 оптимизации, выход которого соединен с входом 15 сумматора. 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 блоком 3 суммирования.

Выход пульта 5 управления соединен с входом блока 3 суммирования сигналов коррекции 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.

Для того, чтобы в случаях, когда используемая в блоках 11 и 14 математическая модель неадекватна, биомасса не вымывалась, т.е. не снижалась продуктивность в предложенной системе управления процессом культивирования, выход блока 10 памяти подключен к входам блоков 16 и 17 суммирования значений подачи питания (парафина). Вы- . ходы этих блоков 16 и 17 подключены на вход блока 18 вычитания, а выход блока 18 соединен с входом блока 19 сравнения, другой вход которого соединен с блоком 20 заданных значений коррекции подачи питания, а выход блока 19 сравнения связан с ключом 21 коррекции скорости протока, соединяющим блок 22 заданных значений коррекции скорости протока с блоком 3 суммирования сигналов коррекции.

Система работает следующим образом.

Работа системы начинается с обу- . чения, для чего ключ 12 устанавливается в нейтральное положение. На

3 пульт 5 управления и в блок 10 памяти поступают данные блока 2 датчиков бирает иэ блока 10 памяти данные той страницы, книги для заданного типа сырья, которые ближе всего к данным текущего процесса, и с этой страницы берется записанное ранее положительное решение на изменение корректирующих значений изменений регулирую,10 щих параметров.

11

В этом случае, если в режиме советчика" система работает удовлетворительно, то ключ 12 ставится в положение, при котором система переводится в автоматический режим работы, причем удовлетворительной считается такая работа системы, когда при выполнении ее команд ("советов") экономический показатель не ниже того, 20 который записан на странице памяти.

В случае, если он оказывается вышее, то прежняя страница стирается и для данного показателя записываются новые данные и решение по ним.

25 В качестве существенно-информационных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 памяти при проведении реальЭО

5 158 контролируемых физико-химических параметров, с вычислителя 9 отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов и химических данных с устройства 7. По этим данным с пульта 5 управления принимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров задаваемых блоком 6.

Значения величины и знака изменения 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 и 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 соответствующим решением на изменение величины и знака компонента остается в блоке 10 памяти. Если решение отрицательно в случае уменьшения выхода биомассы и ухуд шения ее качества, то страница стирается из памяти. На этой же странице записывается во сколько раэ увеличивается экономический показатель с данными дискретом по времени, олисанный цикл повторяется, и из набранных страниц для данного типа сырья, например парафина, в .блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения величины на изменение компонент и получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти.

При обучении нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обрабатывать реально текущие процессы, После обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели, месяцы), производится математическая обработка полученных результатов (выбор метрики, весовых коэффициентов и т.д.), а затем ключ 12 ставится в такое положение, что .система работает в режиме "советчика" (полуавтомата) следукнцим 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 образцов с данными, записанными на страницах в блоке 10 памяти с соот5786 6 ветствующимв решениями. Блок 11 выного процесса на заводе, принимаются показатели датчиков контролируемых параметров по всей технологической линии процесса фериентации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры микроорганизмов (самих микроорганиэмов, включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из необходимых точек технологической линии процесса ферментации.

Ь

Иорфологические параметры включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений т.д., причем в качестве признаков принимаются статистические . характеристики этих параметров; статистические характеристики культуры микроорганизмов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа; данные химического анализа с устройства 7. Система управления процессом ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного оптимального., Локальная оптимизация (блок 13 идентификации параметров модели, блох

14 оптимизации и сумматор 15) уточняет и дополняет работу систему управления.

1585786

Система управления работает следующим образом, На вход блока 13 идентификации из вычислителя 9 поступают значение ИФ параметров, а также с устройства 7значения концентраций биомассы (Х), остаточных углеводородов (Я) фосфора (Р О ), азота (N), а также из блока 2 расходы компонентов питания углеводородного (Sy), фосфора (Po ), азота (a ), скорости разведения (U), объема аппарата (7) .

В блоке идентификации рассчитываются коэффициенты математической моде-15 ли процесса культивирования с учетом состояния культуры (МФ параметры) и параметров среды (S, Л, P) путем минимизации суммы квадрата разностей экспериментальных (за несколько часов,2п порядка 10 ч) и теоретических, рассчитанных по модели в блоке идентификации значений Х,Я,И,Р. . На вход блока оптимизации поступа-ют с блока идентификации текущие зна- 25 чения коэффициентов математической модели и затем в блоке рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания:(Я,N„,Ð ) и скорости разведения (D) таким образом, чтобы обес- щ печить минимум заданного критерия.

Например, испытывается критерий .

So (So)

ВХ-(DX)®„Z Х 2

I=p (- г ) 2 yp (» «» «у2+ Х) Зад (Яо.) у Ь«Д

No No Ро Ро — -(— ) — -(— )

Х Х 2«4 Х Х о«4

0,S 4 S 4Sz о,ы, < Ы аN

p1 S 1 ° S Sz p N- Зюга гН2

С блока оптимизации сигналы коррекции поступают на сумматор 15, на другой вход которого поступает сигнал управления U, получаемый на блоке 11. В сумматоре происходит сложение этих сигналов с соответствующими удельными весами и -вырабатывается общий сигнал управления

"=К Лкорг +Кто где U — - общий сигнал управления;

U«> — сигнал управления, получаемый локально-оптимизационной частью системы, Uz< . — сигнал управления, получаемый

О У1 обучающейся частью системы;

К,К вЂ” удельные коэАфицненты.

В случае отказа обучающейся части

К равно О.

Система может работать как в режиме советчика", так и в автоматическом режиме, для чего ключ 12 ставится в необходимое заданное положение.

Обучающая часть системы использует в своей работе информацию о процессе, полученную в течение ограниченного отрезка времени (недели, месяца). На производстве в процессе ферментации довольно часто (4-6 раз в сутки) возникают ситуации, ранее не встречающиеся, и в этом случае обучающая система дает отказ. Использование системы локальной оптимизации ликвидирует возможность отказов, так как эта подсистема не обладает ограниченной памятью и использует лишь текущую информацию о процессе ферментации.

В случае неадекватности модели при резкой разгрузке по парафину для своевременного уменьшения отбора в предложенной системе заполненные в блоке

10 памяти значения нагрузки по парафину за предыдущие 4 сеанса коррекции нагрузки по парафину подаются в блоки

16 и 17 суммирования, где вычисляется полусуммы

0р «срср 1эр +r Р2

- P Р+ 41„P < Р, 50 где g - весовые результаты; данные номинальные значения;

Я,S,Р1,P2,N „N 1- нижнее и верх-55 нее регламентные значения концентраций остаточных углеводородов, фосфора, азота; (5;, Ф1 — константы, PRC3,3+PR(4 3 -1 2 — — в блоке 16 ю

PRL5 f+PR(6g

= — — - — — — - в блоке 17

У где PP — подача парафина (в скобках () указан номер сеанса коррекции, например (6 ) - последний сеанс коррекции, f5 ) — предыдущий и т.д.;

Š— заданное значение подачи парафина.

1585786

10 тым.

П р.и м е р. При работе системы управления часто наблюдались случаи, когда в системе, работающей на основе модели (блоки 13 — 15), блок 11 не успевал сбрасывать (корректировать) отбор дрожжевой суспензии при резкой разгрузке аппарата по парафину.

Текущее вре- Подача парафина, мя коррекции, кг/ч ч

6

10 . =1350 кг/у;

= Х,- =1 25 к г/ч .

Если PRZ1=100 кг/ч, то PRZ7PRZ1, блок 19 включает реле, замыкается ключ 21 и отбор уменьшается на заданную в блоке 22 величину, на 1 м /ч. 45

Такое своевременное уменьшение отбора приводит к тому, что биомасса не

PRt 3)=1500

Рй(4) =1450

PR (5 3=1400

PR (6 =1300 ;1475 кг/ч; PRZ= 4p

Далее в блоке 18 вычисляется раэ ность PRZ=7,- 2, что позволяет определить падение парафина, а следовательно, своевременно изменить проток, а полученная разность в блоке 19 сравнения сравнивается с заданным значением падения подачи парафина PRZ1 поступаемого с блока 20, Если PRZ>PRZ1, то сигнал с блока сравнения замыкает ключ 21 коррекции скорости протока, и заданное значение коррекции скорости протока проходит с блока 22 в сумматор 3. В этом случае, если математическая модель адек- 15 вантна, то каналы оптимизации (блоки,13 - 15) и формирования сигналбв коррекции (блок 21} при резкой разгрузке по парафину успевают своевременно уменьшать отбор (скорость протока), тогда отсутствует сигнал с блока 19 и ключ 21 остается разомкнупадает, т.е. процесс идет стабильно, а следовательно, в среднем с большей продуктивностью.

Таким образом, использование системы управления процессом культивирования микроорганизмов с дополнительно введенными блоками суммирования значений подачи питания (парафитан), вычитания, сравнения заданных значений коррекции подачи питания, заданных значений коррекции скорости протока и ключом коррекции скорости протока за счет дополнительной коррекции скорости протока суспензии с учетом подачи питания (парафина) позволяет улучшить экономические показатели процесса, что приводит к увеличению выхода биомассы (производительности) на 57 (с 2,6 г/л ч до 2,73 г/л ч).

Формула и з обретения

Система управления процессом культивирования микроорганизмов в фермен» тере по авт. св. Ф 1359773, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода биомассы, она дополнительно снабжена последовательно соединенными первым блоком суммирования значений подачи питания, блоком вычитания, блоком сравнения и ключом коррекции скорости протока, выход которого подключен к входу блока суммирования сигналов коррекции, а также блоком заданных значений коррекций подачи питания, выход которого подключен к входу блока сравнения, блоком заданных значений коррекции скорости протока, выход которого подключен к ключу коррекции скорости протока, и вторым блоком суммирования значений подачи питания, выход которого соединен с блоком вычитания, а вход — с входом первого блока суммирования значений подачи питания и с выходом блока памяти.