Система автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов
Изобретение относится к управлению биотехнологическими процессами и может быть использовано на предприятиях микробиологической промьгашенности, например, при производстве кормовых дрожжей, ферментов, органических кислот. Целью изобретения является повышение выхода биомассы при одновременном рациональном использовании питательных веществ. Система содержащая датчики 25, 21 и 5 остаточной концентрации субстрата, расхода аммиачной воды и кислотности питательного субстрата, блок 26 определения текущей скорости роста микроорганизмов , контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, температуры среды, уровня в ферментере, - рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, дополнительно снабженапоследовательно вода боЗл Зля епамдгмий ю СХ) СлЭ « 00 СреЗа
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (ц 4 С 12 Q 3/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTGPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Сом
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4031108/31-13 (22) 27 .02.86 (46) 07.08.87. Вюп. и 29 (71) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (72) Г.И.Гваздайтис, Ю-К.Ю.Станишкис, М.В.Кондратавичюс и M.З.Милашаускас (53) 663.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
Р 981964, кл. С 05 В 27/00, 1981.
Работнова И.Л. и др. Непрерывное культивирование дрожжей при импульсном изменении скорости протока или концентрации субстрата в среде.
Прикладная биохимия и микробиология, M., 1982, т..18 с. )74-178.
Авторское свидетельство СССР
N9 1062262, кл. С 12 Q 3/00, 1981. (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
ÄÄSUÄÄ 1328378 А 1 (57) Изобретение относится к управлению биотехнологическими процессами и может быть использовано на предприятиях микробиологической промьппленности, например, при производстве кормовых дрожжей, ферментов, органических кислот. Целью изобретения является повышение выхода биомассы при одновременном рациональном использовании питательных веществ. Система, содержащая датчики .25, 21 и 5 остаточной концентрации субстрата, расхода аммиачной воды и кислотности питательного субстрата, блок 26 определения текущей скорости роста микроорганиз-, мов, контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, температуры среды, уровня в ферментере, рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, дополнительно снабжена. последовательно
13283 соециненными интегратором 27, блоком
29 деления, экстремальным регулятором 30, блоком 31 формирования амплитуды колебаний и блоком 32 умножения.
Другой вход последнего через блок переключений 33 связан с датчиком 25 остаточной концентрации субстрата, а выход блока умножения через сумматор 34 связан с регуляторами 3 и 7 подачи питательных солей и питатель-. ного субстрата на ферментер. При этом выходы блоков 26 и 28 определения текущей скорости роста микроорга78 низмов и синхронизации подключены к входам инте гр ат ор а, а выход з адатчика 35 концентрации питательного субстрата соединен с сумматором. Вклю" чение в систему технических средств, которые обеспечивают циклический режим подачи питательных веществ, осуществляя поиск экстремальной скорости роста по ходу процесса, учитывая ограничения остаточной концентрации субстрата на выходе из ферментера, позволяет повысить выход биомассы и экономичность процесса 1 ил.
Изобретение относится к системам автоматического управления процессами непрерывного выращивания микроорганизмов и может найти применение в микробиологической промышленности.
Цель изобретения — повышение выхода биомассы при одновременном рациональном использовании питательных веществ.
Сущность изобретения заключается в следующем.
При непрерывном выращивании микроорганизмов циклический режим подачи питательного субстрата, т.е. импульсное изменение его концентрации в среде, обеспечивает более эффективное ведение процесса, повышает выход биомассы (экономический коэффициент).
Иежду параметрами циклических колебаний концентрации субстрата в среде и скоростью роста биомассы существует экстремальная функциональная зависимость. Из-за нестационарности и продолжительности процесса культивирования невозможно заранее установить параметры колебаний концентрации субстрата, которые обеспечивали бы максимальную скорость роста микроорганизмов. Поэтому целесообразно осуществлять поиск этих параметров по ходу процесса. Система в реальном масштабе времени ведет поиск экстремума скорости роста путем управления амплитудой принудительных циклических колебаний концентрации субстрата среды. Амплитуда колебаний подстраивается так, чтобы обеспечить максимальную скорость роста при данных условиях культивирования.
Скорость роста микроорганизмов
5 определяется по расходу аммиачной воды, учитывая кислотность подаваемого субстрата
Q z<+k2 (PH 10 (1) скорость роста; расход аммиачной воды; расход питательного субстрата; расход отводимой культуральной среды; кислотность питательного субстрата; кислотность культуральной среды; коэффициенты пропорциональности. где рх 0„, Qïc 15 (кс рН р» „ k„, 1с Период переключений амплитуды ко.лебаний определяется по сигналу датчика остаточной концентрации, учитывая ограничения на концентрацию питательного субстрата в отводимой из 30 ферментера культуральной среде согласно регламенту технологии (нижний предел остаточной концентрации контролируется для предохранения процесса от глубокого лимита по субстрату, при котором резко падает скорость роста, а верхний предел —,для рационального использования питательных 1328378 55 вешеств, он также регламентируется санитарными нормами). На чертеже изображена блок-схема системы автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов. Система содержит ферментер 1 с линиями подачи питательных солей, аммиака, субстрата, воды, воздуха, охлаждающей воды и линий отбора среды, а также контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, уровня в ферменте, температуры среды, растворенного кислорода, рН среды и отбора среды из ферментера . Контур регулирования подачи субстрата включает датчик 2 расхода на линии подачи субстрата, регулятор 3 и исполнительный механизм 4 на линии подачи субстрата, при этом измеряют датчиком 5 кислотность подаваемого субстрата ° Контур регулирования подачи питательных солей включает датчик 6 расхода на линии подачи питательных солей, регулятор 7, исполнительный механизм 8 на линии подачи питательных солей. Контур регулирования уровня в ферментере включает датчик 9 уровня среды в ферментере, регулятор 10 и ис" полнительный механизм 11 на линии подачи воды на разбавление. Контур регулирования температуры культуральной среды включает датчик 12 температуры среды в ферментере, регулятор 13 и исполнительный механизм 14 на линии подачи охлаждающей воды. Контур регулирования растворенного кислорода среды включает датчик 15 растворенного кислорода в ферментере, регулятор 16 и исполнительный механизм 17 на линии подачи воздуха. Контур регулирования рН включает датчик 18 рН среды в ферментере, регулятор 19 и исполнительный механизм 20 на линии подачи аммиачной воды, при этом датчиком 21 измеряют расход аммиачной воды. Контур регулирования отбора среды включает датчик 22 расхода на линии отбора среды, регулятор 23 и исполнительный механизм 24 на линии отбора среды, а также датчиком 25 измеряют концентрацию остаточного субстрата в отводимой среде. Кроме того, система автоматического управления содержит блок 26 определения текущей скорости роста микроорганизмов, входы которого связаны с датчиком 21 расхода аммиачной воды, с датчиками 18 и 5 кислотности рН среды и подаваемого субстрата, с датчиками 2 и 22 расхода субстрата и отводимой среды, а выход — с интегратором 27, другой вход которого соединен с блоком 28 синхронизации. Выход интегратора 27 через блок 29 деления подключен к экстремальному регулятору 30, а выход последнего через блок 31 формирования амплитуды колебаний связан с блоком 32 умножения, другой вход которого через блок 33 переключений соединен с датчиком 25 концентрации остаточного субстрата. При этом выход блока 32 умножения и выход задатчика 34 концентрации питательного субстрата подключен к сумматору 35, выход которого соединен с входами регуляторов 3 и 7 подачи субстрата и питательных солей на. ферментер. Система работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный текущей скорости роста микроорганизмов, формируется в блоке 26 согласно уравнению (I) по сигналам от датчиков 18, 5, 21, 2 и 22 кислотности рН культуральной среды и субстрата, расходов аммиачной воды, подаваемого субстрата и отводимой среды. С выхода блока 26 сигнал поступает на интегратор 27, в котором происходит суммирование моментных значений скорости роста микроорганизмов за определенный период. времени. Время интегрирования зависит от инерционности процесса (например, изменение амплитуды колебаний вызывает переходный процесс, после завершения которого устанавливаются постоянные циклические колебания). Время интегрирования — это время переходного процесса. Работой интегратора 27 управляет блок 28 синхронизации, который задает период интегрирования, после окончания этого периода передает информацию интегральной суммы на блок 29 деления и осуществляет сброс интегратора 27. В блоке 29 деления происходит деление входного сигнала интегральной сумь на длительность периода 1328378 20 ВНИИПИ Заказ 3453/29 Тираж 499 Подписное Произв.-полигр. пр-тие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 интегрирования. Сигнал блока 29 деления, пропорциональный средней скорости роста, поступает на экстремальный регулятор 30, последний осуществляет поиск максимальной скорости роста путем управления амплитудой колебаний концентрации субстрата. Сигнал с выхода экстремального регулятора подается на блок 31 формирования амплитуды колебаний, откуда сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, поступает на блок 32 умножения ° В блоке умножения амплитуда колебаний умножается на одиночный положительный или отрицательный сигнал, который подается с блока 33 переключений, который функционирует следующим образом. На вход блока переключений поступает сигнал датчика 25 остаточной концентрации субстрата. Блок переключений также содержит информацию о допустимых пределах концентраций остаточного субстрата для данного процесса, Как только концентрация остаточного субстрата достигает нижний заданный предел, на выходе блока формируется положительный сигнал. И наоборот, при достижении верхнего предела, формируется отрицательный сигнал. Таким образом, по сигналу датчика 25 остаточной концентрации, учитывая наложенные ограничения на концентрацию остаточного субстрата в отводимой среде, блок 33 переключений управляет знаком амплитуды колебанщ . На выходе 32 блока умножения формируются прямоугольные импульсы, амплитудой которых управляет экстремальный регулятор, а периодом, — блок 33 переключений по сигналу датчика 25 остаточной концентрации субстрата. Импульсы выхода блока 32 умножения подаются на сумматор 35, где они складываются с постоянным сигналом эадатчика 34 концентрации питательного субстрата и поступают на вход регулятора 3 подачи субстрата и на вход регулятора 7 подачи питательных солей как сигнал задания. Среднее значение концентрации субстрата в ферментере задается задатчиком 34 и соответствует оптимальному значению 50 концентрации субстрата в стационарных условиях культивирования, Контуры регулирования подачи субстрата и питательных солей на ферментер обеспечивают принудительные колебания концентрации питательных веществ в ферменте. Предлагаемая система позволяет повысить скорость роста микроорганизмов на 8,87 по сравнению с известной системой при одинаковом расходовании питательных веществ и вести биотехнологический процесс так, чтобы обеспечить повышение производительности микробиологического синтеза и эффективность использования питательных веществ..Формула изобретения Система автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая датчики остаточной концентрации субстрата, расхода аммиачной воды и кислотности питательного субстрата, блок определения текущей скорости роста микроорганизмов, контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, температуры среды, уровня в ферментере, рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, о т л и ч а ю щ а я— с я тем, что, с целью повьппения выхода биомассы, она снабжена последовательно соединенными интегратором, блоком деления, экстремальным регулятором, блоком формирования амплитуды колебаний, блоком умножения и сумматором, а также задатчиком концентрации питательного субстрата и блоками синхронизации и переключений, при этом последний связан с датчиком остаточной концентрации субстрата и блоком умножения соединенным через сумматор с регуляторами подачи питательного субстрата и питательных солей на ферментер, при этом выходы блоков определения текущей скорости роста микроорганизмов и синхронизации подключены к входам интегратора, а выход задатчика концентрации питательного субстрата соединен с сумматором.
