Система управления процессами выращивания микроорганизмов

О П И С А Н И Е (и 859436

ИЗЬБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ . СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцмапмстмческмх

Респубпмк (61) Дополнительное к ввт. свид-ву(22) Заявлено 20.04. 78 (21) 2607924/30-,15 с присоединением заявки ¹вЂ” (23) Приоритет (5l)M. Кл.

С 12 М 1/00

Гееудеротеенанй квинтет

СССР ао делан изобретений н открытий

ОпУбликовано 30.08.81. Бюллетень № 32 ($g) УДК 663 1 (088. 8) Дата опубликования описания 30.08.81 (72) Авторы изобретения

Б. И. Пименов, М. И. Воронин, 10. И. Таракан -. и Ю. В, Фомин (71) Заявитель (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ВЫРАЩИВАНИЯ

МИКРООРГАНИЗМОВ

Изобретение относится к выращива-. .нию микроорганизмов и может быть ис" пользовано в сельском хозяйстве.

Известны сис1 амы автоматического управления процессами выращивания микроорганизмов, включающие датчики измерения параметров кулвтивирования, регуляторы и исполнительные механизмы, блоки измерения концентрации биомассы (1).

Однако в известных системах управ10. ления выращиванием микроорганизмов контроль и регулирование микробиологических процессов осуществляют по вторичным KGQBpHHbM показателям раз I5 вития микробных клеток. измерение рН среды, потребление кислорода, концентрация продуктов биосинтеза, концентрация биомассы. Поэтому точность регулирования процессами выращивания

20 микроорганизмов недостаточно высокая.

Известна также система управления процессами выращивания микроорганизмов, включающая датчики и измерители параметров выращивания (температуры, рН, аэрации), блок определения общей концентрации биомассы и блок определения ее прироста в единицу времени, блок измерения концентрации живых микроорганизмов и блок определения их прироста в единицу времени, блок определения состава компонентов питательной среды, регуляторы и исполнительные механизмы, вычйслительный блок контроля и управления с блоком отработки. управляющих сигналов и блоком реализации адаптивной модели на вход которого подключены датчики, а выход через блок отработки управляю". щих сигналов подключен к задающим входам регуляторов Г21.

Недостатками этой системы являются то, что, во-первых, используемые в системе блоки и схема их включения обеспечивают регулирование микробиологического процесса по вторичным косвенным показателям развития и жизнедеятельности микроорганизмов, Во8S9436 вторых, определение состояния развития культуры по вторичным косвенным показателям, а также ведение процесса по расчетным характеристикам, заложенным в блок реализации адаптивной модели в виде математической функциональной зависимости, не обеспечивает достаточно точное и оптимальное регулирование микробиологического процесса. Математическая функциональ. ная зависимость развития микроорганизмов и переменных взаимосвязанных параметров выращивания до настоящего времени еще не установлена с достаточной точностью, По то у дан ая 15 функциональная зависимость описывается очень приближенными упрощенными математическими выражениями, не обеспечивающими значительное количество факторов выращивания.

Вторичные и косвенные показатели процесса выращивания микроорганизмов взаимосвязаны и оказывают влияние

50 друг на друга по сложным, до конца не установленным зависимостям. Например, температура среды влияет на рН и концентрацию растворенного кислорода и другие факторы культивирования.

Кроме того, известная система управления выращиванием не обеспечивает условий сохранения максимального количества живых микробных клеток, что имеет большое значение, например, при производстве живых вакцин.

Цель изобретения — повышение точности и эффективности процесса регулирования и оптимизация процессов выращивания микроорганизмов.

Укаэанная цель достигается тем, что система снабжена блоком определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации общей биомассы, на вход которого подключены блок определения концентрации биомассы и блок определения. концентрации живых микроорганизмов, причем выходы блока определения отношения концентра ции живых микроорганизмов:к концентрации биомассы, блока определения прироста концентрации живых микроорганизмов и блока определения прироста биомассы в единицу времени подключены на вход блока реализации адаптивной модели.

Таким образом, устанавливается обратная связь регулирования параметров 55 выращивания и состояния питательной среды с блоком управления сигналов и, блоком реализации адаптивной модели. посредством датчиков и блоков контроля развития, роста микроорганизмов, т.е, блоков определения концентрации живых микроорганизмов, концентрации биомассы и их прироста в единицу времени.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемой системы управления процессом выращивания микроорганизмов; на фиг.2 — график развития культуры микроорганизмов во времени.

Система содержит ферментер 1, вычислительный блок 2 контроля и управления, имеющий блок 3 реализации адаптивной модели и процесса и блок 4 отработки управляющих сигналов, причем вход этого блока подключен к выходу блока 3 реализации.

Система содержит контуры контроля и управления температурой, аэрацией и рН среды, а также составом питательной среды.

Контур управления температурой, включает датчик 5 температуры, выход которого соединен с входом преобразователя 6 сигналов, выход которого подключен ко входу регулятора 7, связанному с блоком 4 отработки управляющих сигналов и исполнительным механизмом 8, установленным на линии; охлаждающая вода.

Контур управления аэрацией содержит датчик 9 расхода воздуха, выход которого соединен со входом преобразователя 10 сигналов, подключенного к входу регулятора 11 расхода, связанному с блоком 4 отработки управляющих сигналов и исполнительными механизмами 12 и 13, установленньни на линиях: вход и выход воздуха на аэрацию.

Контур управления рН среды включает датчик 14, подключенный через преобразователь 15 сигналов ко входу регулятора 16, подключенного, в свою очередь, к блоку 4 отработки управляющих сигналов и исполнительному механизму 17, установленному на линии подачи в ферментер 1 веществ, регулирующих рН среды, например, кислоты или щелочи.

Расход воздуха на аэреацию определяется датчиком 18, выход которого соединен с показывающим прибором

)9 и сигнальным прибором 20. Выход сигнала с прибора 20 подводится к регулятору 11 расхода и исполнительным механизмом 12 и 13.

59436

25

35

55

5 8

Контур управления составом питательной среды содержит датчик 21 состава питательной среды, подклю. ченный к выходу измерителя 22, выход которого подключен к преобразователю 23 сигнала, связанному с регулятором 24 состава компонентов питательной среды, выход которого подключен к блоку 4 отработки уп.,авляющих сигналов и исполнительному механизму 25 установленному на линии: подача компонентов питательной среды, Контур контроля развития и роста микроорганизмов включает датчик 26 концентрации живых микроорганизмов и датчик 27 концентрации биомассы.

Датчик 26 концентрации живых микроорганизмов соединен с измерителем

28 концентрации живых микроорганизмов, выход которого подключен на вход блока 29 определения прироста концентрации живых микроорганизмов в единицу времени. Датчик 27 общей концентрации биомассы подключен на вход блока 30 измерения общей концентрации биомассы, выход которого подключен на вход блока 31 определения прироста биомассы в единицу времени.

Блок 28 измерения концентрации живых микроорганизмов и блок 30 измерения общей концентрации биомассы подключены на вход блока 32 определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации общей биомассы, выход которого подк. ючен на вход блока 3 реализации адаптивной модели.

На вход блока 3 подключены также выходы датчиков 5 температуры,рН 14, расхода воздуха 9, состава питательной среды 21 выходы блоков 28 определения концентрации живых микроорганизмов и 29 определения прироста их в единицу времени, блоков 30 определения концентрации биомассы и 31 определения прироста ее в единицу времени.

С.гстема работает следующим образомм.

В блоке 3 реализации адаптивной модели закладывают математическое функциональное параметрическое описа" ние процесса культивирования микроорганизмов, в котором предусмотрено выведение условий и режимов культивирования на оптимальный уровень при использовании в качестве определяющего параметра отношение концент6 рации жйвых микроорганизмов к общей концентрации биомассы, которое должно быть максимальным и близким к единице при одновременном сохранении максимального прироста концентрации живых микроорганизмов и биомассы в единицу времени, В блоке 3 реализации адаптивной модели задают оптимальные параметры культивирования для данного вида микроорганизмов по стадиям развития во времени.

Далее,ерментер 1 заполняют культуральной средой с микроорганизмами и начинают процесс выращивания, Параметры процесса выращивания измеряют датчиками температуры 5, рН 14, расхода воздуха 9, состава компонентов питательной среды 21.

В процессе выращивания микроорганизмов определяют развитие и рост их по приросту концентрации живых микробных тел (датчик 26), общей концетрацией биомассы (датчик 27),а .также определяют отношение концентрации живьгх микроорганизмов к концентрации биомассы в блоке 32 °

Сигналы с датчиков температуры 5, рН 14, расхода воздуха 9, концентрации живых микроорганизмов 26, концентрации общей биомассы 27 через измерительные блоки и блоки преобразования сигналов поступают в блок

3 реализации адаптивной модели. При отклонении величины отношения концентрации жквьгх микроорганизмов к концентрации общей биомассы от максимального значения (величина отношения концентрации определяется в блоке 32) с блока 32 поступает сигнал на вход блока 3. В блоке 3 реализации адаптивной модели определяются имеющие место отклонения параметров культивирования или содержания компонентов питательной среды. В случае наличия отклонений с блока 3 поступает команда в блок 4 отработки управляющих сигналов и г этого блока

4 поступают команды по линиям связи на соответствующие регуляторы. Регу" ляторы с помощью соответствующих исполнительных механизмов устанавливают подачу воздуха на аэрацию (исполнительный механизм 12 и 13), температуру (исполнительный механизм 8), рН (исполнительный механизм

17), состава питательной среды (исполнительный механизм 25) на уровень, обеспечивающий оптимальное развитие микроорганизмов. При этом отношение.

859436 концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы приводится к максимально возможному значению, приблизительно равному единице, а прирост концентрации живых микроорганизмов в единицу времени становится положительным.

На фиг.2 по вертикальной оси отложены концептрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы в клет- to ках/мл, а по горизонтальной оси— время культивирования в часах.

Кривая 1 измерения концентрации живых микроорганизмов и кривая 2 измерения концентрации биомассы при 15 соблюдении оптимальных условий выращивания примерно совпадают.

3 пределе культивирования (7-8 ч) в результате создания неблагоприятных условий (отклонения параметров от оптимального значения или состава питательной среды) происходит отклонение кривой 1 (фиг. 2) концентрации живых микроорганизмов и,следовательно, отношение концентрации живых микроорга п змов к концентрации биомассы также отклоняется от максимального значения, а прирост концентрации живых микроорганизмов в единицу времени отрицательный при этом концентра- ЗО ция биомассы, как величина более стабильная,изменяется незначительно по сравнению с концентрацией живых микроорганизмов. Последние более чувствительны к изменениям условий культивирования, концентрация их изменяет35 ся значительно при неблагоприятных условиях. Концентрация же биомассы сохраняет свое значение хотя бы потому, что часть погибших микробных клеток какое-то время находится в среде, 40 не разрушаясь, создавая ошибочную ви, димость (как это происходит в известных системах) благопопучия и параметров культивирования.

Сигналы с датчика 26 концентрации живых микроорганизмов и датчика 27 концентрации биомассы через блоки 28 и 30 измерения, а также сигнал с блока 32 определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы поступают в блок

3 реализации. адаптивной модели, в ко торой производится анализ и определе55 ние режимов и условий выращивания, существующих в данный момент времени в ферментере 1, решается функциональнч зависимость, описывающая развитие микроорганизмов, и определяются задания регуляторам.

По команде с блока 3 в блок 4 отрабатываются управлянлдие сигналы, которые через регуляторы поступают на исполнительные механизмы. Последние корректируют параметры выращивания и состав питательной среды до тех пор, пока в ферментере 1 не установятся условия, наиболее благоприятные для развития и роста культуры на данной стадии выращивания, при этом показания датчика 26 концентрации живых микроорганизмов и датчика

27 концентрации биомассы становятся примерно равными, а отношение концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы, определяемое в блоке 32, возрастает до максимального значения. Кривые (фиг,2) концентрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы после установления оптимальных условий концентрирования снова почти совпадают, а прирост концентрации живых микроорганизмов и биомассы в единицу времени становится положительным.

Таким образом, в предлагаемой системе используется в качестве параметра оптимизация процесса выращивания микроорганизмов наиболее объективный чувствительный и точный показатель — развитие и размножение микроорганизмов в ферментере. Использование датчиков и блоков измерения концентрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы, а также блока измерения отношения этих концентраций позволяет проводить оптимизацию микробиологического процесса с большей точностью и высокой эффективностью искоростью1выводить на оптимальный уровень одновременно целый ряд парамет,ров выращивания.

Основным преимуществом предлагаемой системы перед известными является то, что процесс регулирования проводится не по вторичным косвенным показателям развития микроорганизмов, а по первичным, а именно по росту и развитию самих микроорганизмов (микробных клеток).

Формула изобретения

Система управления процессами выращивания микроорганизмов, вклн>чающая датчики и измерители параметров выра— щивания (температуры, рН, аэрации), блок определения общей концентрации

8594

15

20 биомассы и блок определения ее при— роста в единицу времени, блок измерения концентрации живых микроорганизмов и блок определения их прироста в единицу времени, блок определения состава компонентов питательной среды, регуляторы и исполнительные механизмы, вычислительный блок контроля и управления с блоком отработки управляющих сигналов и блоком реализации адаптивной модели, на вход которого подключены датчики, а выход через блок отработки управляющих сигналов подключен к задающим входам регуляторов, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности и эффективности процесса регулирования и оптимизации процесса выращивания микроорганизмов, система снабжена блоком определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентра—

36 1О ции общей биомассы, на вход которого подключены блок определения концентрации биомассы и блок определения концентрации живых микроорганизмов, причем входы блока определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы, блока определения прироста концентрации живых микроорганизмов и блока определения прироста концентрации биомассы в единицу време- ни подключены на вход блока реализации адаптивной модели.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Труды ВНИИБиотехника. Вып. 1, 19 72, с. 35-43.

2, Авторское свидетельство СССР

Ф 488847, кл. С 12 В 1/08, 1972 ,{прототип).

Yucnoma

859436 ре М,4ИС

1 2 J Ф

Составитель М, Дранишников

Редактор К. Лембак Техред Ж.Кастелевич Корректор М.Коста

Заказ 7472743 Тираж 528 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Кониентрацоя жиЬ!ч ниркрганиэню3, Каютою(н

ED Q8 H w0Х и г ггЬона си, в, е к/ б 7 Ьг.2