Система управления процессом культивирования микроорганизмов

 

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ в ферментере по b&A j:::if., -авг.св. № 635736, о г л и ч а ю 1Ц а яс я тем, что, с целью псжышения произвоаителЕлюсги фермента, система пополнительно содержит коррелятор, сумматор и блок вьгаислителя критерия состоя. НИН дрожжевой популяции, оцин из вхоаов .которогб связан с блоком датчиков KOHTpOi лируемых параметров, другой -с выходом вычислителя морфологических признаков, а выхоа с одним из входов коррелят -: ра, второй вход которого связан с 5ло ком датчиков контроли| емых параметров, а выхоц - с входом сумматора, одновре Менно подключенного к блоку формирова .кия сигналов коррекции, суммато ра соединен с блоком всполнйтетлых : Механизмов. (Л со со ел о ел

„„SU„„919505

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3СЮ G 05D 27 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС ГВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ.,(61) 635736 ,(21) 2946812/2813 .(22) 05.06,80 (46) 23.09.83. Бюл. 34 35 (72) К. А. Яновский, B. И. Шихер, .

Ю. Г. Козлов, B. Г. Курочкйн, Е. А. М,а» рик, Б. С. Демченко, А. Ф. Зубович, А.. А, Скотников и В. B. Сеничкин .(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых ве-. ществ (53) 663.15 (088.8) (56) 1. Авторское свицетельство СССР

NI 635736, кл. С 12 В.1/00, 1979. (54) (57) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

HFOUECCON КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

МИКРООРГАНИЗМОВ в ферментере по авт.св. M 635736, о т л и ч. а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения производительности фермента, система дополнительно содержит коррелятор, сум матор и блок вычислителя критерия состоя ния дрожжевой популяции, оцин из вхоцов ,которого связан с блоком датчиков контро лируемых параметров, другой - с выходом вычислителя морфологических признаков, а выход - с оцним из входов коррелято» ра, второй вхоц которого связан с бло» ком датчиков контролируемых параметров, а выход - с axogoM сумматора, одновре менно поцключенного к блоку формирова» ния сигналов коррекции, выход суммато ра смцинен с блоком исполнйтельних - c механизмов.

919505 2 коррекции, выхоц сумматора соецинен с блоком исполнительных механизмов.

На чертеже изображена структурная схема системы управления процессом культивирования микроорганизмов»

1

Изобретение, относится к области микробиологии, в. частности к сйстемам, управления процессом культивирования микроорганизмов; используемым в произ. воцстве белково-витаминных концентратов (БВК), ферментов, антибиотиков.

По.основному авт.св. Ж 6357.36 описана система управления .процессом культивирован ия . микроорганизмов, вклю чаюшая ферментер, пульт управлейия, блок. датчиков контролируемых параметров, связанный с первым входом пульта управления, устройство ввода данных хи мического анализа, связанное с вторым входом пульте унравлеиия, блок началь ных уставок управлващи параметров, блок исполнительных механизмов и блок суммирования, к оаному axogy которогопоцключен пульт управления, .второй вход

poBgHHeH с блоком начальных уставок управляемых параметров, а выхоц с блоком исполнительных механизмов, блок сканируюших микроскопов, блок памяти, блок формирования сигналов коррекции, при этом к входам блока памяти поцключены блок цатчиков контролируемых параметров, устройство .ввода ценных химического анализе,пульт управления и вычислитель морфологических признаков, оцин иэ .вхоцов которого соединен с первым выхоцом блока памяти, второй выхоц -.с пультом управления, второй выхоц блока памяти поцсоецинен к бло . ку формирования сигналов коррекции, вхоцы которого соединены с блоком.цаъчиков контролируемых параметров, вы числителем морфологических признаков, устройством ввоаа ценных химического анализа, а выход блока формирования сигналов коррекции посредством ключа управления соединен с пультом угграааеяия и блоком суммирования 51) .

Бель изобретения повьпиение производительности ферментера.

Для этого система управления про цессом культивирования микроорганизмов. дополнительно соцержит коррелятор, сумматор и блок вычислителя критерия состояния црожжевой популяции, оцин иэ входов которого связан с блоком цат чиков контролируемых параметров, другой - c выходом вычислителя морфологи ческих признаков., а выход - с одним иэ вхоцов коррелятора, второй вхоц котс » рого связан с блоком датчиков контролируемых параметров, а выход «с вхоцом сумматора, оцновременно поцключенного к блоку формирования сигналов

Система соцержит ферментер 1, блок 2 цатчиков контролируемых параметров .проиесса ферментации, блок 3 суммирования, блок 4 исполнительных механизмов, пульт 5 управления, блок 6 начальных уставок управляемых параметров, устройство 7 ввоца цанных химического анализа, блок 8 сканирукацих микроскопов, вычислитель 9 отличительных морфологических и статистических признаков культуры микроорганизмов, блок 10 памяти отличительных признакав. процесса ферментации и уцовлетворитель ных решений технолога цля них на изменение управляемых параметров, блок 11 формирования сигналов коррекции управляемых параметров, ключ 12, блок 13 вычислителя критерия состояния, коррелятор 14 и сумматор 15 корреляционно-экстремальной системы. Секции фермен . тере соецинены с блоком 8 сканируюших микроскопов, на выхоце которых датчики (на чертеже .не показаны) оптической плотности соецинены с первым вхоцом вычислителя 9 морфологических призна ков, культуры микроорганизмов, а второй

Bxog вычислителя 9 соединен с выхоцом блока 10 памяти, в котором запйсаны уцовлетворнтельные решения на измене-» ние управляемых параметров, а также отличительные морфологические и ста тистические признаки культуры микроорганизмов, на основании которых ранее были приняты уцовлетворительные решения, позволяюшие улучшить техникоэкономические .показатели процесса ферментации (количество .и качество продукта). В блок 10 памяти поступают также ценные с блока 2 датчиков кон/ тролируемых параметров процесса ферментации и с устройства 7 ввоца ценных химического анализа. Выхоц блока 10 памяти соединен с вхоцом блока 11 формирования сигналов коррекции, на вхоц . 0 которого поступают данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9. Выхоц блока 11 формирования соединен через сумматор 15, ключ 12 пульта 5 управления с блоком 3 суммирования. Вхоц блока вычислите«

>5 ля 13 критерия состояния соецинен с блоком 2 и вычислителем 9, а выход блока 13 соединен с коррелятором 14, на ахоп. послецнего также поступают

3 9195 данные с блока 2 датчиков контролируемых параметров. Выход. коррелятора 14 соединен с входом сумматора 15 корреляционно-.экстремальной системы, выход которого соединен через ключ 12 с входом пульта 5 управления и блоком 3 суммирования. Выход пульта 5 управ ленни соединен с входом блока 3 сум мирования и с входом блока 10 памяти.

Выхоя блока 6 начальных уставок управ- ц» ляюших параметров соединен с входом блока 3 суммирования, вход которого соединен с входом блока 4 исполнительных механизмов, изменяющих подачу компо л нентов. в -ферментер 2... ts Система работает следующим обра эом, Работа системы начинается с пропп са обучения, для .чего ключ 12 устанав ливается в нейтральном, положении. На пульт 5 управлейия и в блок 10 памяти. поступают данные с блока 2 датчиков. контролируемых физико-химических napa . метров, с вычислителя. 9 отличительйых

/мОрфОлогических признаков культуры микроорганизмов и химические. данные с.устройства 7. По этим данным с пульта 5 управления принимают решение изменить в опрецеленной последова тельности некоторые диапазоны, управляе30 мых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6.

Значения величины: и знака изменений. подачи в ферментер 1 компонентов, регулирующих э ти параметры, цоступают с пульта 5 управления в.блок 10 памяти З5, где они записываются на одну страницу

1 рядом с данными блоков 2, 7, и вычислителя 9, для которых принято ре шение на изменение параметров. Если решение положительно, то эта страница с .данными блоков 2, 7 и вьгчислителя 9 и соотВетствуюшим решением на измене ние величины и знака компонента оста ется в блоке 10 памяти. Если решениМ . отрицательно в.случае уменьшения выхо-. да биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из памяти. На этой же странице записывается во сколь

Ко раз увеличивается экономический показатель.

С заданным дискретом по времени описанный цикл повторяется, и из иаб раиных страниц для данного типа сырья, например парафина, в блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения величины на изменение компонент. и получаемые при этом положительные

05 4 решения также записываются в блок 10 I памяти.

При обучении нет необходимости аааа вать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется. обрабатывать реально текущие процессы. После окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели, месяцы), производится математическая обработка полученных результатов (выбор метрики, весовых коэффициентов и т.д,), а эамм ключ 12 ставится в такое положение, что система работает в режиме "советчика" (полуавтомата) следующим образом.

Текущие данные с блоков 2, 7 и . вычислителя 9 (т .е. сушестаенно-информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигналов коррекции, где онй сравниваются по одному иэ алгоритмов распознавания образов с данными, записанными на страницах в . блоке 10 памяти с соответствующими ðeшениями. Блок: ll выбирает из блока 10 памя ти данные той страницы, книги для заданного типа сырья,.которые ближе всего к данным текущего процесса, и с этой страницы берется записанное ранее положительное решение на изменение корректирующих значений. изменений регули- рующих параметров.

В этом случае, если в режиме "со-, ветчика система работает уцовле творительно, то ключ 12 ставится в положение, при котором система переводится в автоматическйй режим работы, причем удовлетворительной считается такая работа . системы, когда при выполнении ее команд ".советов ) экономический показатель не ниже того, который записан на странице памяти. В случае, если он оказывается. вьппе, то прежняя страница стирает ,Э ся ч для данного показателя записывают,ся новые. данные и решения по иим.

В качестве существенно-информационных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются показания датчиков контролируемых параметров по всей технологической линии процесса фэрментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов, включений в них. и в среде) из разли иых секций ферментера 1 и из необходимых точек технологической линии процесса ферментации.

Морфологические параметры включают в себя геометрические. размеры, форму, 9195 управления U.

5 число частиц различной формы и включений и т.д., причем в качестве признаков принимаются статические характеристики этих параметров; статистические характеристики культ. ры микроорганизмов, рас» 5 считанные по сигналу цатчика оптичес кой плотности сканирующего микроскопа; цанные химического анализа с устрой слм 7. Система. управления процессом ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпа дают с признаками эталонного оптимального.

Корреляционно экстремальная часть уточняет и дополняет работу обучающей части системы управления, .Работает она следующим образом.

На вход блока 13 вычислителя кри«. терия состояния иэ вычислителя 9 поступают значения морфологических параметров культуры, а также квнцентра» ции pacTaopeaabix СО,, и 02 в культуральной жидкости, получаемые на блоке 2.

Критерий состоян ия. системы может быть вычислен по одной из следующих

: формул ф,„,„) (са о ) ,+Ссо - Р

23 ® 2 те„/ зо со (, где Й. критерий качества работы сис темы;

1 j-тый морфологический пара1 метр культуральной жидкостщ

- концентрация раетворенного «аслорода после насоса

С - концентрация углекислого газа после насоса; заданное значение 3-ого мор45

3ОА фологического параметра «ульту ральной жидкости;

- заданное значение концентрюмции растворенного «ислорода после насоса;

° заданное значение концентраС

„;ции угле«ислогр газа после насосами

Поиск экстремума критерия состояния осуществляется в «орреляторе 14, на

ВНИИПИ Заказ 8189/6 оз d один из входов которого поступает текущее значение критерия (©), на другойтекутне значения параметров процесса ферментации,: концентрация парафина, .! скорость протока, «онцентрации питательных солей, получаемые на блоке 2.

На выходе коррелятора 14 получают car нал управления (Окорр), который посту пает на сумматор 15. На другой вход сумматора 15 поступает сигнал управ леция 0 „„, получаемый на блоке 11.

В сумматоре происходит сложение этих сигналов с соответствующими удельными весами и вырабатывается общий сигнал

UK 0 . + коРР "2 (об,, (3) где U - общий сигнал управления;

О, - сигнал управления, получаемый

«орре яц иж ютремальн и честью системы;

0 к - сигнал управления, получаемый с обучающейся частью системы;

К и K - удельные коэффициенты.

В случае отказа обучающейся части равно О.

Описанная система может работатькак в режиме "советчика", так и в авто матическом режиме, для чего «люч 12 ставится в необходимое заданное положение.

Обучающая часть системы использует в своей работе информацию о процессе, полученную в течение ограниченного,ow резка времени (недели, месяца). На проиэвоцстве в процессе ферментации довольно часто (4-6 раз в сутки) воз никают ситуации, ранее не встречавшиеся, и в этом ае обучающая система дает отказ. Использование корреляцнонно-экстремальной части системы ликви/ цирует воэможность отказов, .та«как эта подсистема не обладает ограниченной памятью и использует лишь текушую информацию о процессе ферментации, за счет чего можно увеличить производительность процесса.

Система управления смонтирована на

Кстовском опытно-промышленном заводе белкововитаминнйх . концентратов.

На первом этапе заводских испыта ний, проведенном на КОПЭ БВК, получено, что использование предлагаемой .системы управления увеличивает проиэвоцительность одного ферментера aà 25%.

Тираж 874 Подписное

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