Способ автоматического управления биотехнологическим процессом

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнологическим процессом в биореакторе. Способ предусматривает измерение содержания кислорода в отходящих газах, рабочего объема культуральной среды, измерение концентрации биомассы и концентрации промежуточного продукта ее жизнедеятельности. При этом по измеренным параметрам определяют удельную скорость потребления кислорода и скорость изменения концентрации промежуточного продукта и осуществляют регулирование подачи воздуха на аэрацию, подачи питательной среды и перемешивания культуральной среды. Кроме того, дополнительно измеряют температуру культуральной среды, температуру подаваемой питательной среды, температуру подаваемого и отводимого хладагента, его расход и по измеренным параметрам определяют удельную скорость тепловыделений биомассы и скорость изменения количества промежуточного продукта, а регулирование подачи воздуха на аэрацию и подачи питательной среды осуществляют в зависимости от полученной удельной скорости тепловыделений биомассы и от скорости изменения количества промежуточного продукта. Данный способ позволяет повысить эффективность регулирования и улучшить качественные показатели: подъемную силу - на 8,1%, мальтазную активность - на 7,9% и стойкость - на 7,4%.

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнологическим процессом в биореакторе.

Предложенный способ может быть применен для управления промышленными и экспериментальными биотехнологическими процессами, использующими микроорганизмы, способные производить и потреблять промежуточный продукт жизнедеятельности, такие как Saccharomyces cerevisiae, Acetobacter, Lactobacillus, Zymomonas и др.

Известен способ автоматического управления биотехнологическим процессом (а.с. №1062262, МКИ С 12 Q 3/00), заключающийся в том, что измеряют содержание кислорода в отходящих газах и рабочий объем культуральной среды, определяют удельную скорость роста микроорганизмов и регулируют подачу воздуха на аэрацию и подачу питательной среды с учетом удельной скорости роста микроорганизмов.

Недостатком способа является низкая эффективность регулирования и точность контроля качественных показателей, так как удельная скорость роста микроорганизмов не является достаточно информативным показателем, и погрешность ее определения недопустимо велика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ автоматического управления биотехнологическим процессом (а.с. №1786072, 10.07.90, МПК⁵ C 12 Q 3/00), заключающийся в том, что измеряют содержание кислорода в отходящих газах, рабочий объем культуральной среды, концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности биомассы и концентрацию биомассы, определяют по измеренным параметрам удельную скорость потребления кислорода и скорость изменения концентрации промежуточного продукта и регулируют подачу воздуха на аэрацию, подачу питательной среды и перемешивание культуральной среды по удельной скорости потребления кислорода и скорости изменения концентрации промежуточного продукта.

Недостатком данного способа является низкая эффективность регулирования и точность контроля качественных показателей, так как погрешность определения удельной скорости потребления кислорода недопустимо велика из-за невысокой точности измерения содержания кислорода в отходящих газах, а скорость изменения концентрации промежуточного продукта недостаточно информативна в условиях переменного рабочего объема культуральной среды, когда уменьшение концентрации промежуточного продукта может быть обусловлено не потреблением продукта биомассой, а разбавлением за счет подачи питательной среды.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности регулирования и точности контроля качественных показателей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления биотехнологическим процессом, предусматривающем измерение содержания кислорода в отходящих газах, рабочего объема культуральной среды, измерение концентрации биомассы и концентрации промежуточного продукта ее жизнедеятельности, определение по измеренным параметрам удельной скорости потребления кислорода и скорости изменения концентрации промежуточного продукта и регулирование подачи воздуха на аэрацию, подачи питательной среды и перемешивания культуральной среды, отличием является то, что дополнительно измеряют температуру культуральной среды, температуру подаваемой питательной среды, температуру подаваемого и отводимого хладагента, его расход и по измеренным параметрам определяют удельную скорость тепловыделений биомассы и скорость изменения количества промежуточного продукта, а регулирование подачи воздуха на аэрацию и подачи питательной среды осуществляют в зависимости от полученной удельной скорости тепловыделений биомассы и от скорости изменения количества промежуточного продукта.

Дополнительное измерение указанных параметров (температуры культуральной среды, температуры подаваемой питательной среды, температуры подаваемого и отводимого хладагента, его расход) необходимо для определения оптимальных условий жизнедеятельности биомассы и скорости изменения количества промежуточного продукта для регулирования по этим показателям подачи воздуха на аэрацию и подачи питательной среды.

Способ осуществляют следующим образом. В ходе биотехнологического процесса в биореактор с биомассой подают воздух на аэрацию и питательную среду. Процесс брожения биомассы сопровождается выделением тепла. Для поддержания оптимальной температуры жизнедеятельности биомассы ее периодически охлаждают.

В ходе биотехнологического процесса возможно развитие популяции по следующим путям метаболизма, первый из которых является наиболее благоприятным с точки зрения эффективности регулирования и уровня качественных показателей, а остальные соответствуют основным технологическим отклонениям, приводящим к ухудшению показателей качества:

1. дыхание на основном субстрате или окислительный рост - соответствует наилучшим качественным показателям: большая удельная скорость тепловыделения биомассы, скорость изменения количества промежуточного продукта нулевая и максимальный выход целевого продукта;

2. дыхание на основном субстрате и промежуточном продукте (одновременное потребление) - соответствует недостаточной подаче питательной среды. Удельная скорость тепловыделения биомассы снижается, скорость изменения количества промежуточного продукта отрицательная, а выход целевого продукта немного уменьшается;

3. дыхание на промежуточном продукте при полном исчерпании основного субстрата - соответствует недостаточной подаче питательной среды. Удельная скорость тепловыделения биомассы еще больше снижается, скорость изменения количества промежуточного продукта отрицательная, а выход целевого продукта значительно уменьшается;

4. аэробное брожение - соответствует передозировке питательной среды. Удельная скорость тепловыделения биомассы еще больше снижается, скорость изменения количества промежуточного продукта больше нуля, а выход целевого продукта небольшой;

5. анаэробное брожение при высоких концентрациях основного субстрата - соответствует одновременной передозировке питательной среды и недостаточной подаче воздуха на аэрацию. Удельная скорость тепловыделения биомассы еще больше снижается, скорость изменения количества промежуточного продукта больше нуля, а выход целевого продукта небольшой;

6. анаэробное брожение при низких концентрациях основного субстрата - соответствует недостаточной подаче воздуха на аэрацию. Удельная скорость тепловыделения биомассы еще больше снижается, скорость изменения количества промежуточного продукта больше нуля, а выход целевого продукта небольшой;

7. полное прекращение роста биомассы по причине недостаточной подачи воздуха на аэрацию (в культуральной среде нет ни основного субстрата, ни промежуточного продукта, ни достаточного количества кислорода). Удельная скорость тепловыделения биомассы минимальная, а скорость изменения количества промежуточного продукта и выход целевого продукта равны нулю.

Эффективность регулирования может быть оценена, например, по величине выхода биомассы (целевого продукта) из основного субстрата. Качественными показателями являются, например, такие показатели биомассы, как подъемная сила, мальтазная активность и стойкость. Максимальной величине выхода биомассы соответствуют наилучшие качественные показатели.

Определяя удельную скорость тепловыделений биомассы и скорость изменения количества промежуточного продукта, можно однозначно распознать один из шести перечисленных выше видов технологического отклонения и осуществить соответствующее регулирующее воздействие.

В качестве примеров использовали биотехнологический процесс культивирования хлебопекарных дрожжей в течение 13 часов в биореакторе ПНР-200 вместимостью 200 м³. Начальная концентрация биомассы составляла 5 кг/м³. Начальная концентрация субстрата составляла 0,5 кг/м³. Начальный объем культуральной среды составлял 70 м³. Концентрация основного субстрата (сахаров) в подпитке составляла 300 кг/м³. В ходе процесса в биореактор непрерывно подавались воздух на аэрацию и питательная среда. Перемешивание культуральной среды осуществлялось аэрирующим воздухом.

Пример 1. Предложенный способ осуществляли по прототипу. При этом подача воздуха на аэрацию и подача питательной среды производились в соответствии с технологическим регламентом, т.е. регулирование подачи воздуха на аэрацию и подачи питательной среды осуществлялось в автоматическом режиме с использованием в качестве заданий регуляторам технологических временных программ. Коррекцию программ осуществляли по удельной скорости потребления кислорода и скорости изменения концентрации промежуточного продукта (этанола). В ходе процесса имели место технологические отклонения 2, 4, 5, 6.

По завершении процесса выход целевого продукта (биомассы дрожжей), являющийся мерой эффективности регулирования, составил 0,45, а показатели качества соответственно: подъемная сила - 40 мин, мальтазная активность - 41 мин, стойкость - 121 ч.

Пример 2. Процессом управляли в соответствии с предложенным способом. В ходе процесса в течение кратковременных периодов времени имели место технологические отклонения 2 и 4.

По завершении процесса выход целевого продукта (биомассы дрожжей), являющийся мерой эффективности регулирования, составил 0,49, а показатели качества соответственно: подъемная сила - 37 мин, мальтазная активность - 38 мин, стойкость - 130 ч.

Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность регулирования, мерой которой является выход целевого продукта, на 8,9% и повысить точность контроля качественных показателей за счет того, что точность и надежность средств измерения температуры и расхода значительно превышает точность и надежность газоанализаторов.

Предложенный способ позволит улучшить качественные показатели: подъемную силу - на 8,1%, мальтазную активность - на 7,9%, стойкость - на 7,4%.

Способ автоматического управления биотехнологическим процессом, предусматривающий измерение содержания кислорода в отходящих газах, рабочего объема культуральной среды, измерение концентрации биомассы и концентрации промежуточного продукта ее жизнедеятельности, определение по измеренным параметрам удельной скорости потребления кислорода и скорости изменения концентрации промежуточного продукта и регулирование подачи воздуха на аэрацию, подачи питательной среды и перемешивания культуральной среды, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру культуральной среды, температуру подаваемой питательной среды, температуру подаваемого и отводимого хладагента, его расход и по измеренным параметрам определяют удельную скорость тепловыделений биомассы и скорость изменения количества промежуточного продукта, а регулирование подачи воздуха на аэрацию и подачи питательной среды осуществляют в зависимости от полученной удельной скорости тепловыделений биомассы и от скорости изменения количества промежуточного продукта.