СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 1994 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к пищевой, микробиологической, гидролизной и целлюлозно-бумажной промышленностям, а именно к процессам выращивания микроорганизмов.

В настоящее время выращивание микроорганизмов производится в ферментаторах, где обеспечиваются необходимые условия культивирования, а подача порций питательной среды (субстрата) сбалансированной по всем элементам питания, осуществляется по результатам проведения необходимых лабораторных анализов, что неизбежно вызывает задержку в своевременной подаче субстрата. Такой режим выращивания увеличивает время проведения процесса и ухудшает физиологическое состояние микроорганизмов.

Наиболее близкое по технической сущности устройство, реализующее аналогичный процесс выращивания микроорганизмов, используется при выращивании чистой культуры кормовых дрожжей в отделениях чистой культуры гидролизно-дрожжевых производств (Семущина Т.Н., Монахова Н.И., Гусарова Л.А. Микробиологический контроль гидролизно-дрожжевого производства. Лесная промышленность, 1975).

Выращивание дрожжей в отделениях чистой культуры проводится в ферментаторах различной емкости.

Эти ферментаторы оснащены змеевиками для поддержания температуры культуральной среды с помощью системы авторегулирования, системой автоматического регулирования рН культивирования.

К феpментаторам подведены трубопроводы для подачи воды (горячей или холодной) для поддержания температуры, для подачи субстрата, воздуха, для перекачивания дрожжевой суспензии на последующие стадии выращивания.

Выращивание дрожжей на гидролизате сопровождается интенсивным подкислением среды (снижением рН).

Стабилизация кислотности среды на оптимальном для роста дрожжей уровне обеспечивается системой автоматической стабилизации рН за счет подачи титрующего агента (аммиачной воды).

Подачу субстрата в ферментер осуществляют по результатам лабораторных анализов, которые согласно регламенту выполняют в следующей периодичности: концентрацию РВ определяют каждые 2 ч, состояние дрожжей путем микроскопирования - каждые 4 ч, концентрацию дрожжей - в конце процесса. После снижения концентрации РВ до 0,1% доливают необходимую порцию субстрата.

Недостатками существующей установки для выращивания чистой культуры дрожжей являются следующие:
большая трудоемкость в связи с необходимостью выполнения значительного количества лабораторных анализов;
увеличение длительности процесса, связанная с задержкой подачи субстрата и адаптацией дрожжей к изменяющимся условиям культивирования;
ухудшение физиологического состояния культуры из-за неизбежных задержек подачи субстрата.

Целью изобретения является повышение производительности установки и повышение активности биомассы.

Это достигается тем, что система автоматического управления, содержащая ферментатор, систему подачи питательной среды и системы регулирования температуры и позиционного регулирования рН культуральной среды, дополнительно снабжена системой подачи питательной среды в зависимости от потребности в ней микроорганизмов путем подключения выхода регулятора рН через реле времени к клапану, установленному на линии подачи питательной среды.

Предлагаемая система наряду с системами, обеспечивающими условия культивирования, обязательно должна содержать позиционный регулятор рН, обеспечивающий автоколебательный режим регулирования рН, выход которого подключен как к регулирующему органу, установленному на линии подачи титранта, так и через реле времени к регулирующему органу на линии подачи питательной среды.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемой системы автоматического управления процессом.

Система содержит ферментатор 1, систему стабилизации температуры, содержащую датчик 2 температуры, регулятор 3 и регулирующий орган 4, установленный на линии охлаждающей (нагревающей) воды, систему позиционного регулирования рН, содержащую датчик рН 5, позиционный регулятор 6, и регулирующий орган 7, установленный на линии подачи нейтрализующего агента, реле времени 8, предназначенное для включения через определенный, заранее установленный промежуток времени, регулирующего органа 9 на линии подачи субстрата.

Реле времени каждый раз включается, когда регулятор отключает титрующий агент (значение рН > рН заданного) и приводится в исходное положение, когда регулятор включает титрующий агент (рН < рН заданного).

На фиг.2 показан характер регулирования рН при использовании позиционного регулятора и периодической подаче питательной среды. При наличии питательной среды процесс роста микроорганизмов происходит интенсивно и сопровождается колебательным режимом регулирования рН. При этом реле времени настроено таким образом, что сработать оно не успевает, и сигнал на регулирующий орган подачи субстрата не проходит.

При недостатке питания или его исчерпании рост дрожжей замедляется, соответственно снижается частота автоколебаний рН или они прекращаются вовсе, реле времени успевает сработать, включить регулирующий орган на трубопроводе подачи питательной среды и подать очередную порцию субстрата.

Рост дрожжей интенсифицируется, возобновляются колебания рН, реле времени приводится в первоначальное положение и подача питания прекращается.

При достижении дрожжевой суспензией заданного объема определенное количество ее перекачивается на очередную стадию выращивания.

Система работает следующим образом.

При росте микроорганизмов режим регулирования рН становится колебательным. На вход реле времени от регулятора рН поступают сигналы на включение реле времени и приведение его в исходное положение в темпе включения и отключения титранта, с частотой, не позволяющей реле времени сработать и включить подачу питательной среды.

По мере исчерпания питательной среды рост микроорганизмов замедляется, соответственно снижается частота колебаний рН (или колебания вовсе прекращаются), реле времени успевает сработать и включить подачу питательной среды.

При возобновлении колебаний рН (увеличении скорости роста микроорганизмов) реле времени приходит в исходное состояние, и подача питательной среды прекращается.

Производительность установки увеличивается за счет своевременной подачи питательной среды и уменьшения времени на адаптацию микроорганизмов к изменяющимся условиям, связанным с несвоевременной подачей питательной среды.

Эффективность применения системы заключается в следующем:
уменьшается трудоемкость процесса, связанная с сокращением количества лабораторных анализов;
уменьшается длительность процесса выращивания микроорганизмов;
улучшаются физиологическое состояние и активность культуры, что в дальнейшем повышает эффективность дальнейшего ее использования.

Качество биомассы характеризуется ее активностью, которая в свою очередь характеризуется временем разбраживания последующих стадий выращивания засевных дрожжей или производственных ферментаторов.

Так, разбраживание ферментатора емкостью 400 л на стенде ВНИИ-гидролиз с использованием гидролизатов древесины в качестве субстрат и штамма дрожжей КС-2 (Candida scottii) при получении засевной биомассы по обычному методу осуществлялось за 12 ч.

Разбраживание этого же аппарата на засевной биомассе того же штамма, полученного при использовании системы автоматического управления процессом ферментации, сократилось до 8 ч. При этом не учитывается время получения засевной биомассы на лабораторной стадии.

В производственных условиях с использованием пятистадийной установки чистой культуры активность получаемой культуры позволяет резко сократить весь процесс запуска производственных аппаратов (6 - 8 ч) и за счет этого повысить производительность производства в целом.

Использование: пищевая, микробиологическая, гидролизная и целлюлозно-бумажная промышленность. Сущность изобретения: система содержит ферментатор, систему стабилизации температуры, содержащую датчик температуры, регулятор и регулирующий орган, установленный на линии охлаждающей (нагревающей) воды, систему позиционного регулирования рН, содержащую датчик рн, позиционный регулятор и регулирующий орган, установленный на линии подачи нейтрализующего агента, реле времени, предназначенное для включения через определенный, заранее установленный промежуток времени регулирующего органа на линии подачи субстрата, за счет чего уменьшаются трудоемкость и длительность процесса, улучшаются физиологическое состояние и активность культуры. 2 ил.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ при периодическом культивировании в ферментере, содержащая контур подачи питательной среды и контуры регулирования температуры и позиционного регулирования рH культуральной среды, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности и активности биомассы микроорганизмов, она снабжена реле времени, вход которого связан с регулятором контура регулирования рH, а выход - с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи питательной среды.