Система автоматического управления концентрацией продукта на выходе колоночного биореактора при синтезе аминокислот

 

Изобретение относится к биотехнологии , а именно к управлению процессом биокаталитического синтеза аминокислот, и может быть использовано в технологии получения аминокислот химико энзиматическим способам в химической и микробиологической промышленности. С целью повышения продуктивности биокатализатора, система автоматического управления включает датчик рН на выходе биореактора, подключенный через рН-метр, фильтр низкой частоты и блок подсчета изменения скорости подачи субстрата к регулятору рН, управляющему исполнительным механизмом на линии подачи субстрата. Система также содержит расходомер на линии подачи субстрата, подключенный к регулятору, управляющему реле, которое включает контур регулирования температуры биореактора, а также датчик температуры, который подключен через вторичный прибор и блок вычисления теоретического рН значения к блоку сравнения, из которого сигнал поступает в регулятор, управляющий исполнительным механизмом , установленным на линии подачи горячей воды в контур термостатирования биореактора, 1 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (м) s G 05 0 27/РР

ГОСУДА P СТВ Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4735413/13 (22) 05.07,89 (46) 23.10.91. Бюл, Q 39 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт прикладной энзимологии (72) С.P.Òóìàñ, Р -И.И.Дагис, Ю-К.Ю.Станишкис и А-А.Б.Паулюконис (53) 663. 1(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

1Ф 1558453, кл, G 05 D 27/00, 1988. (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРОДУКТА

НА ВЫХОДЕ КОЛОНОЧНОГО БИОРЕАКТОРА ПРИ СИНТЕЗЕ АМИНОКИСЛОТ (57) Изобретение относится к биотехнологии, а именно к управлению процессом биокаталитического синтеза аминокислот, и может быть использовано в технологии получения аминокислот химико-энзиматическим способам в химической и микробиологичеИзобретение относится к биотехнологии, а именно к управлению процессом биокаталитического синтеза аминокислот, и может быть использовано в технологии получения аминокислот химико-энзиматическим способом в химической и микробиологической промышленности, Цель изобретения — повышение продуктивности биокатализатора.

Изобретение за кл ючается в следующем.

Технология требует, чтобы из стадии биокаталитического синтеза аминокислот на последующие стадии подавался раствор, в котором концентрация продукта была по Ы 1686412 А1 ской промышленности. С целью повышения продуктивности биокатализатора, система автоматического управления включает датчик рН на выходе биореактора, подключенный через рН-метр, фильтр низкой частоты и блок подсчета изменения скорости подачи субстрата к регулятору рН, управляющему исполнительным механизмом на линии подачи субстрата. Система также содержит расходомер на линии подачи субстрата, подключенный к регулятору, управляющему реле, которое включает контур регулирования температуры биореактора, а также датчиктемпературы, который подключен через вторичный прибор и блок вычисления теоретического рН значения к блоку сравнения, из которого сигнал поступает в регулятор, управляющий исполнительным механизмом, установленным на линии подачи горячей воды в контур термостатирования биореактора, 1 ил. стоянной. Известно, что биокатализатор имеет свою оптимальную рабочую температуру, при которой обеспечивается макси мальная скорость реакции синтеза. Однако старение биокатализатора приводит к заметному падению его активности и стабильности, вследствие чего концентрация продукта на выходе биореактора уменьшается.

Скорость реакции можно увеличить, повышая температуру, что ведет к изменению . рН в биореакторе. Связь между температурой и рН является прямолинейной и для каждого биокатализатора определяется экспериментальным путем. Однако повышение

1686412

H> — 1 +,С1

К—

HI — 1+С

С1= -Ьо — аоЬ1, (6) р = ао+ а1л, (2) Н = bo+ Ь1р, Vot> = ... = Viti:=-.„-= L, (4) Vl = K Vl-1, где температуры негативно действует на активность и стабильность биокатализатора— резко ускоряется процесс старения.

С другой стороны, при синтезе аминокислот во время реакции изменяется рН реакционной среды из-за разности констант иониэации ионогенных групп субстрата и продукта, что позволяет найти зависимость между концентрацией образовавшегося продукта и изменением рН среды.

Таким образом, определяется связь между температурой, рН на входе и выходе биореактора и концентрацией продукта на выходе биореактора.

Алгоритм управления процессом составлен исходя из вышеупомянутых соображений, В начальном этапе управление концентрацией продукта на выходе биореактора вецется при оптимальной температуре путем измерения рН на выходе биореактора и соответственным продлением времени контактирования субстрата с биокатализатором, т.е. уменьшением скорости подачи субстрата в биореактор. Субстрат подается с постоянным рН, Концентрация продукта на выходе биореактора должна изменяться в узком диапазоне, поэтому можно написать где р — концентрация продукта;

t — время контактирования субстрата с биокатализатором (время реакции); ао, а1 — коэффициенты (определяется экспериментально).

Аналогично где Н вЂ” рН на выходе биорзактсра;

Ьо,b1 — коэффициенты (определяется экспериментально).

Время реакции и линейную скорость подачи субстрата в биореактор в каждый момент времени можем описать где Ч -линейная скорость подачи субстрата в биореактор;

1 — длина биореактора, Коэффициент изменения скорости подачи субстрата можно определить, формулу (1) вставляя в (2) и взяв соотношение из формулы (3) 5

45 где i — момент измерения.

Уменьшать скорость подачи субстрата из-за технологических требований целесообразно до определенной величины, достигнув которую система переходит к второму этапу управления.

В этом этапе стабилизируется подача субстрата на достигнутом уровне, а температура изменяется так, чтобы измеренное

pW> достигло высчитанное теоретическое рН, что в свою очередь соответствует стабилизации концентрации продукта на выход биореактора, На чертеже изображена структурная схема предлагаемой схемы.

Система автоматического управления концентрацией продукта на выходе биореактора 1 содержит датчик 2 рН, подключенный через рН-метр 3 к фильтру 4 низкой частоты (ФНЧ), который через реле 5 и блок

6 подсчета изменения скорости подачи субстрата соединен с первым регулятором 7, управляющим исполнительным механизмом 8, установленным на линии подачи субстрата.

Расходомер 9 соединен с вторым регулятором 10, который подключен к реле 5, и с задатчиком 11.

Датчик 12 измерения температуры через вторичный прибор 13 и блок 14 подсчета теоретического рН подключен к блоку 15 сравнения, к которому подключено реле 5, Блок 15 сравнения подключен к третьему регулятору 16, управляющему исполнительным механизмом 17, установленному на линии подачи горячей воды в контур термостатирования биореактора.

Блоки 6, 14 и 15 выполнены на микропроцессорах.

Перед запуском технологического процесса надо экспериментально установить или использовать литературные данные для определения прямолинейных коэффициенТоВ для блока 6 (используется конечный линейный участок зависимости концентрации продукта на выходе биореактора от времени и изменение рН от времени) и блока 14 (зависимость рН от температуры), а также установить задатчик 11, определяющий, до какого уровня целесообразно уменьшать количество подаваемого субстрата. Субстрат в биореактор подается с постоянным рН.

1686412

Система работает следующим образом.

При проведении реакции синтеза аминокислот сигналы от рН-метра 3 через ФНЧ

4 и замкнутые контакты реле 5, подаются в блок 6 для подсчета коэффициента изменения скорости подачи субстрата. В соответствии с сигналом, полученным из блока 6 первый регулятор 7 формирует управляющий сигнал исполнительному механизму 8, который регулирует скорость подачи субстрата в биореактор, Вследствие этого рНэ поддерживается заданной величины и на выходе колоночного биореактора концентрация продукта стабилизируется, Когда скорость подачи субстрата, измеряемая расходомером 9, станет меньше заданной, третий регулятор 10 формирует сигнал реле 5, который переключает свой контакт и сигнал от рН-метра 3 подается в блок 15 сравнения, С этого момента включается контур управления процессом по температуре, а скорость подачи субстрата стабилизируется на достигнутом уровне.

Сигнал от температурного датчика 12 через вторичный прибор 13 подается на блок 14 подсчета теоретического значения рН, из которого попадает в блок 15 сравнения. В блоке 15 сравнения сравнивается теоретическое значение рНт с измеренным рНэ, Когда измеренное рН-метром 3 рНЭ начинает уменьшаться, в блоке 15 сравнения получаем разницу между сигналами рН и рН, вследствие чего вырабатывается вторым регулятором 16 управляющий сигнал для исполнительного механизма 17, изменяющего температуру в рубашке биореактора 1. Повышая температуру повышается и активность биокаталиэатора, вследствие чего меняется концентрация продукта на выходе биореактора 1. Из-эа повышения температуры изменяется рН аминогрупп субстрата и продукта, а вследствие этого— показания рН-метра 3 и, следовательно, рН,. Сигнал от датчика 12 температуры через вторичный прибор 13 подается в блок 14 подсчета теоретического значения рН, в котором подсчитывается новое рН>, учитывающее изменившуюся температуру.

5 Таким образом, повышение температуры ведется до совпадения рНЭ и рР>, что позволяет добиться постоянной заданной концентрации на выходе биореактора.

Процесс является инертным, потому по10 вышение температуры производится очень медленно.

Испытание предлагаемой системы в лабораторных условиях показало, что продуктивность биокатализатора повысилась на

15 77.

Формула изобретения

Система автоматического управления концентрацией продукта на выходе коло20 ночного биореактора при синтезе амино кислот, включающая последовательно соединенные датчик рН, рН-метр, фильтр низкой частоты, реле, блок подсчета изменения скорости подачи субстрата в биореак25 тор, первый регулятор и исполнительный механизм, установленный на линии подачи субстрата, отличающаяся тем, что, с целью повышения продуктивности биокатализатора, она содержит контур регулирова30 ния температуры вторичного прибора, блока подсчета теоретического значения рН, блока сравнения, второго регулятора и исполнительного механизма, установленного на линии подачи горячей воды, а также

35 последовательно соединенные задатчик, третий регулятор и расходомер, установленный на линии подачи субстрата, причем выход третьего регулятора соединен с реле, нормально разомкнутые контакты которого

40 подключены к блоку сравнения, и блок подсчета изменения скорости подачи субстрата, вход которого соединен через нормально замкнутые контакты реле с выходом фильтра низкой частоты, а выход — с

45 входом первого регулятора.

1 686412

Составитель В. Новиков

Редактор Н. Лазаренко Техред M.Моргентал Корректор М, Кучерявая

Заказ 3597 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комите a по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101