Система автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к системам управления процессами культивирования микроорганизмов. Цель изобретения - повышение выхода биомассы и снижение концентрации неиспользованного субстрата. Система автоматического управления процесом непрерывного культивирования микроорганизмов снабжена датчиком 13 концентрации углекислого газа в отходящих газах, блоками 16 и 17 определения концентрации питательного субстрата и экстремальным регулятором 19, на вход которого подключены блоки 16 и 17 определения концентрации микроорганизмов и концентрации субстрата, а выход подключен к исполнительному механизму 20, установленному на линии подачи субстрата. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 С 12 Q 3/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0пчпдящие гпы (21) 3866223/30-13 (22) 21.05,85

i (46) 07.09.90. Бюл, ¹ 33 (71) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (72) M.M. Манкявичюс, Ю-К.Ю. Станишкис, P.I0. Симутис и г(.Э. Бярулис (53) 663.15(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № i 073283, кл. С 12 0 3/00, 1981.

„, Ы,, 159648О А1 (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО

КУЛ6ТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМ0В (57) Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к системам управления процессами культивирования микроорганизмов. Цель изобретения — повышение выхода биомассы и снижение концентрации неиспользовэнно1590480

20

35

40 го субстрата. Система автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов снабжена датчиком 13 концентрации. углекислого газа в отходящих газах, блоками 16 и 17 определения концентрации питательного субстраИзобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к системам управления процессами культивирования микроорганизмов.

Целью изобретения является повышение биомассы и снижение концентрации неиспользованного субстрата, На чертеже изображена структурная схема системы автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, Система содержит ферментер 1, контур регулирования подачи воздуха на аэрацию, содержащий датчик 2 расхода, регулятор 3 расхода и исполнительный механизм 4, контур регулирования температуры, содержащий датчик 5 температуры, регулятор 6 температуры и исполнительный механизм

7, контур регулирования рН, содержащий датчик 8 кислотности, регулятор 9 и исполнительный механизм 10, а также датчик 11 скорости потребления буферного агента, прибор 12 для измерения скорости потребления буферного агента. датчик 13 концентрации углекислого газа в отходящих газах, датчик 14 концентрации кислорода в отходящих газах, датчик 15 объема культуральной среды в ферментере, блок 16 определения концентрации субстрата, блок

17 определения концентрации биомассы, блок 18 вычисления функционала для определения условной производи;ьльности, экстремальный регулятор 19 и исполнительный механизм 20, установленный на линии подачи субстрата в ферментер.

Расход воздуха для аэрации ферментера 1 поддерживается контуром, содержащим датчик 2 расхода, подключенный к регулятору 3 расхода, управляющему исполнительным механизмом 4, Регулятор сравнивает текущее значение расхода воздуха с заданным и формирует управляющий сигнал для исполнительного механизма 4, установленного на линии подачи воздуха в ферментер.

Температура культуральной среды в ферментере поддерживается контуром стабилизации температуры. Этот контур содержит датчик 5 температуры, подключенный та и экстремальным регулятором 19, на вход которого подключены блоки 16 и 17 определения концентрации микроорганизмов и концентрации субстрата, а выход подключен к исполнительному механизму 20, установленному на линии подачи субстрата, 1 ил. на вход регулятора 6 температуры, который путем сравнения измеренного и заданного значений температур формирует управляющий сигнал для исполнительного механизма 7 на линии подачи в рубашку ферментера охлаждающей воды, Кислотность культуральной среды измеряется датчиком 8 кислотности, соединенным с регулятором 9, который путем сравнивания измеренного и заданного значений рН формирует регулирующий сигнал для исполнительного механизма 10, управляющего подачей аммиачной воды в ферментер.

Система работает следующим образом

В ферментер 1 подают сусло, воздух на аэрацию и аммиачную воду для поддержания кислотности среды пропорционально скорости роста биомассы и скорости потребления субстрата, Скорость потребления аммиачной воды измеряется датчиком

11 скорости потребления буферного агента и прибором 12 для измерения скорости потребления буферного агента, а измеренный сигнал подается на входы блока 16 определения концентрации субстрата и блока 17 определения. концентрации биомассы. Концентрация углекислого газа в отходящих газах измеряется датчиком 13 концентрации углекислого газа и измеренный сигнал подается на входы блока 16 и блока 17. Концентрация кислорода в отходящих газах измеряется датчиком 14 концентрации кислорода в отходящих газах, а измеренный сигнал подается на вход блока 16. На входы блоков 16 и 17 также подается сигнал с выхода датчика 2 расхода.

Блок 17 определения концентрации микроорганизмов, работает- следующим образом.

На вход блока 17 подается сигнал с датчика 2 расхода воздуха на аэрацию,датчика

13 концентрации углекислого газа в.отходящих газах, датчика 14 концентрации кислорода в отходящих газах; датчика 15 обьема культуральной среды и прибора 12 для измерения скорости потребления буферного агента. На выходе блока 17 формируется сигнал в соответствии с уравнением

X =- Оо2 — К1/F

Осо2

К2 Ои, Оо2 где X — концентрация микроорганизмов;

Оо2 — скорость потребления кислорода;

Осо2 — скорость выделения углекислого

5 газа;

Ои — скорость потребления азота;

К1, К вЂ” коэффициенты пропорциональности;

Осо2

F — — функция вариации путем меОо2 таболизма.

Блок 16 определения концентрации субстрата работает следующим образом. 15

На вход блока 16 подаются сигналы с датчика 2 расхода воздуха на аэрацию, датчика 13 концентрации углекислого газа в отходящих газах, датчика 15 объема культуральной среды и прибора 12 для измерения,"p скорости потребления буферного агента, На выходе блока 16 формируется сигнал в соответствии с уравнением

4 (т С г тГ% ГкзТтт ch

S— макс где S — концентрация углеводов в ферментере;

К (Т) — субстратная постоянная;

/смакс(Т) — максимальная удельная ско- рость роста на данном субстрате;

Ои — скорость потребления азота;

Qo2 — скорость потребления кислорода: .

К1Щ: K2(Tj; Кз(Т) — коэффициенты про- 35 порциональности.

Сигналы с блока 16, блока 17 и экстремального регулятора 19 псдэются нв вход блока 18 вычитания функционала, Через каждые 5 мин он вычисляет разницу между 40 концентрацией биомасы Х и концентрацией субстрата S1 и в течение 30 мин суммирует эти разницы по формуле! =, (Xi — A.SI) D, 45 где 0 — скорость разбавления;

il — коэффициент пропорциональности

Я1 — концентрация субстрата в фермен- 50 тере;

X) — концентрация биомассы в ферментере, Значение функционала подается на вход экстремального регулятора 19, который, меняя скорость разбавления на определенный шаг, поддерживает значение функционала на максимальном уровне.

В результате применения предлагаемой системы обеспечивается снижение расхода питательных веществ нэ единицу синтеэируемай биомассы в срег нем на 1,52=,ь и повышение концентрация 5иомассы в ферментере на 1,2 — ",5$.

Формула изобретения

Система автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов. содержащая датчик объема культуральной среды в ферментере, блок определения концентрации субстрата в ферментере, контуры регулирования температуры, рН и подачи воздуха в ферментер, каждый иэ которых включает датчик, регулятор и исполнительный механизм, о тл и чающа яся тем, что,с целью повышения выхода биомассы и снижения концентрации неиспользованного субстрата, она дополнительно снабжена датчиками концентрации кислорода и углекислого газа в отходящих газах, прибором для измерения скорости потребления буферного агента с датчиком и последовательно соединенные блок определения концентрации биомассы, блок определения условной производительности, экстремальный регулятор и исполнительный механизм, установленный иа линии подачи субстрата в ферментер, при этом второи выход экстремального регулятора подключен к входу блока определения условной производительности, два других входа которого связаны с выходами блоков определения .концентрации субстрата и биомассы, а входы последних соединены с прибором для определения скорости потребления буферного агента и датчиками концентрации углекислого газа в отходящих газах, расхода. воздуха,—.:.поступающего..в ферментер, и объема культуральной среды в ферментере, причем датчик концентрации кислорода в отходящих газах-связан с блоком определения концентрации субстрата.