УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ БИОСИНТЕЗА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ В РЕЖИМЕ ДВУХСТАДИЙНОГО ХЕМОСТАТА Российский патент 1998 года по МПК G06G7/48 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования опытных и промышленных установок двухстадийного хемостата при производстве лимонной кислоты.

Режим двухстадийного хемостата позволяет увеличить производительность процесса за счет дифференциации условий культивирования по стадиям. На первой стадии должен быть обеспечен оптимальный состав среды и другие условия для интенсивного роста культуры, на второй - оптимальные условия для биосинтеза целевого продукта и утилизации компонентов среды. Это требует проведения расчетов режимов ферментации по стадиям, определения оптимального числа аппаратов и разработки систем управления процессом биосинтеза.

Известно устройство для контроля многопараметрических динамических объектов, содержащее два интегратора, подключенные каждый к выходу одного из двух сумматоров, и четыре блока умножения [1]. Выход каждого из интеграторов соединен с первыми входами двух блоков умножения. Выход одного из этих блоков умножения соединен через сумматор с входом своего интегратора, а выход второго блока умножения соединен через сумматор с входом другого интегратора. Вторые входы всех блоков умножения подключены к датчикам состояния объекта. Однако это устройство не позволяет провести моделирование химико-технологического процесса, в котором происходит движение, накопление и преобразование нескольких компонентов.

Известно также устройство для моделирования процесса образования катализаторного комплекса, содержащее интеграторы и блоки умножения, выход интегратора соединен с первыми входами двух блоков умножения, вторые входы которых соединены с одной из двух общих шин. Выход первого блока умножения соединен с входом данного интегратора, а выход второго блока умножения соединен с входом данного интегратора и входами двух других интеграторов [2]. Устройство моделирует процесс последовательного превращения исходных компонентов в одном аппарате. Устройство не отражает закономерности биосинтеза лимонной кислоты и не позволяет его моделировать.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее интеграторы, выход каждого из них соединен с первыми входами трех блоков умножения, а вход интегратора связан с его выходом через один из трех блоков умножения, второй вход которого соединен с входной клеммой устройства. Второй вход второго блока умножения соединен с выходом блока умножения, входы которого соединены с выходом блока деления и апериодического усиления. Входы блока деления соединены с выходом регулятора и блока вычисления модуля [3].

Устройство моделирует гармонические сигналы. Недостатками прототипа являются недостаточно широкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его для моделирования биосинтеза лимонной кислоты в режиме двухстадийного хемостата.

Целью изобретения является расширение класса решаемых задач.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем интеграторы, подключенные каждый к выходу соответствующего сумматора, блоки умножения и блоки деления, выходы первого и второго интеграторов подключены к первым входам соответственно первого и второго блоков умножения, выход первого блока умножения соединен с входом первого сумматора, выход первого интегратора подключен к первому входу третьего блока умножения, выход первого блока деления соединен с первым входом четвертого блока умножения, выход пятого блока умножения подключен к входу второго сумматора, выходы шестого и седьмого блоков умножения соединены с входом третьего сумматора, дополнительно введены третий - шестой интеграторы, четвертый - шестой сумматоры, восьмой - четырнадцатый блоки умножения, второй блок деления, причем выход первого интегратора соединен с вторым входом четвертого блока умножения и входом второго сумматора, выход второго интегратора соединен с первыми входами восьмого блока умножения и первого блока деления, выход третьего интегратора соединен с входом четвертого сумматора и первыми входами шестого и седьмого блоков умножения, выход четвертого интегратора соединен с первыми входами девятого блока умножения и второго блока деления, выход пятого интегратора соединен с первыми входами десятого и одиннадцатого блоков умножения и вторым входом первого блока деления, а выход шестого интегратора соединен с первым входом двенадцатого блока умножения и вторым входом второго блока деления, выход второго блока деления соединен со вторым входом седьмого блока умножения, первая входная клемма соединена с первыми входами пятого и тринадцатого блоков умножения и вторыми входами первого, второго и десятого блоков умножения, вторая входная клемма соединена со вторым входом пятого блока умножения, третья входная клемма соединена с первым входом четырнадцатого блока умножения, а второй вход четырнадцатого блока умножения соединен с выходом тринадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с четвертой входной клеммой, выход второго блока умножения соединен с входом второго сумматора, выход третьего блока умножения соединен с входом третьего сумматора, выход четвертого блока умножения соединен с входами первого, второго и пятого сумматоров, выход седьмого блока умножения соединен с входами четвертого и шестого сумматоров, выход восьмого блока умножения соединен с входом четвертого сумматора, выход девятого блока умножения соединен с входом четвертого сумматора, выход десятого блока умножения соединен с входом пятого сумматора, выходы одиннадцатого и двенадцатого блоков умножения соединены с входом шестого сумматора, выход тринадцатого блока умножения соединен с вторыми входами третьего, шестого, восьмого, девятого, одиннадцатого и двенадцатого блоков умножения, выход четырнадцатого блока умножения соединен с входом четвертого сумматора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых связей между элементами устройства. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что при введении новых дополнительных связей между известными элементами устройства проявляются новые свойства, позволяющие расширить класс задач, решаемых с помощью предлагаемого устройства, что является существенными отличием от устройства - прототипа.

Схема устройства приведена на фиг.1.

Устройство содержит первый - шестой интеграторы 1-6, подключенные входами первого интегратора 1 к выходу первого сумматора 7, второго интегратора 2 к выходу второго сумматора 8, третьего интегратора 4 к выходу третьего сумматора 10, четвертого интегратора 5 к выходу четвертого сумматора 11, пятого интегратора 3 к выходу пятого сумматора 9, шестого интегратора 6 к выходу шестого сумматора 12. Выходы первого, второго и пятого интеграторов 1-3 подключены к первым входам первого, второго и десятого блоков умножения 13-15, вторые входы блоков умножения 13-15 соединены с первой входной клеммой 16 устройства. Выходы блоков умножения 13-15 соединены с входами первого, второго и пятого сумматоров 7-9 соответственно. Выходы первого - шестого интеграторов 1-6 подключены к первым входам третьего, шестого, восьмого, девятого, одиннадцатого и двенадцатого блоков умножения 17-22, вторые входы которых подключены к выходу тринадцатого блока умножения 23. Входы третьего, четвертого и шестого сумматоров 10, 11, 12 подключены к выходам третьего и шестого 17, 18, восьмого и девятого 19, 20, одиннадцатого и двенадцатого 21, 22 блоков умножения соответственно. Выходы первого и третьего интеграторов 1 и 4 соединены с входами второго и четвертого сумматоров 8 и 11 соответственно.

Входы первого и второго блоков деления 24, 25 соединены с выходами соответственно второго и пятого 2, 3, четвертого и шестого 5, 6 интеграторов. Выход первого блока деления 24 соединен с первым входом четвертого блока умножения 26, выход второго блока деления 25 соединен с вторым входом седьмого блока умножения 27, вторые входы блоков умножения 26 и 27 подключены к выходам соответственно первого и третьего интеграторов 1 и 4. Выход четвертого блока умножения 26 соединен с входами первого, второго, пятого сумматоров 7, 8, 9. Выход седьмого блока умножения 27 соединен с входами третьего, четвертого и шестого сумматоров 10-12. Пятый блок умножения 28 своими входами соединен с первой и второй входными клеммами 16 и 29 устройства, а своим выходом соединен с входом второго сумматора 8. Четырнадцатый блок умножения 30 своими входами соединен с третьей входной клеммой 31 устройства и с выходом тринадцатого блока умножения 23, а своим выходом соединен с входом четвертого сумматора 11.

Выходные клеммы 33, 34, 35 подключены к выходам третьего, четвертого и шестого интеграторов 4, 5, 6, а клеммы 36 и 37 подключены к выходам девятого и двенадцатого блоков умножения 20 и 22.

Устройство моделирует биосинтез лимонной кислоты в установке двухстадийного хемостата, состоящей из n ферментаторов, работающих на один дображиватель. Моделируются такие стороны процесса биосинтеза, как рост биомассы, образование лимонной кислоты, поддержание жизнедеятельности клеток, а также загрузка - выгрузка питательной среды и культуральной жидкости. Устройство функционирует в области низких концентраций субстрата - сахара и высоких концентраций целевого продукта - лимонной кислоты, что соответствует применяемой в настоящее время промышленной технологии производства лимонной кислоты.

Устройство работает следующим образом.

На входную клемму 16 устройства подается напряжение, пропорциональное скорости разбавления D в ферментаторе, на входную клемму 32 - напряжение, пропорциональное числу n ферментаторов, работающих на один дображиватель, на входные клеммы 29 и 31 - напряжения, пропорциональные концентрации S₀₁ и S₀₂ субстрата в подпиточном растворе, вводимом в ферментатор и дображиватель. На выходные клеммы 33-35 подаются напряжения, пропорциональные концентрации биомассы X₂, остаточного субстрата S₂ и кислоты P₂ в культуральной жидкости дображивателя. На выходные клеммы 36 и 37 подаются напряжения, пропорциональные потерям субстрата с выгружаемой культуральной жидкостью и производительности установки по конечному продукту. На выходе интеграторов 1 и 4 формируются напряжения, пропорциональные концентрации X₁ и X₂ биомассы в ферментаторе и в дображивателе, на выходе интеграторов 2 и 5 - напряжение, пропорциональное концентрации S₁ и S₂ субстрата, на выходе интеграторов 3 и 6 - напряжения, пропорциональные концентрации P₁ и P₂ лимонной кислоты.

Рассмотрим работу устройства для различных режимов функционирования.

Режим 1 - одностадийный хемостат. Предположим, необходимо снять статические и динамические характеристики по каналам "скорость разбавления - концентрация биомассы, субстрата, лимонной кислоты", "скорость разбавления - производительность ферментатора". На входных клеммах устанавливаются напряжения, соответствующие n = 1 (на клемме 32), D (на клемме 16), S₀₁ = 0 (на клемме 29), S₀₂ (на клемме 31). При S₀₁=0 напряжения на выходе интеграторов 1, 2, 3 и блоков умножения 17, 19, 21, 26 равны нулю, и устройство функционирует как модель ферментатора в режиме одностадийного хемостата.

Убедившись, что значения всех напряжений не изменяются во времени, т.е. что в схеме не протекает переходный процесс, изменим, например, скачком увеличим напряжение D на клемме 16. При этом скачком увеличится напряжение на выходе сумматора 11. Выходное напряжение S₂ на интеграторе 5 начнет расти, что приводит к росту напряжения на выходе блока деления 25 и блока умножения 27, что в свою очередь вызовет рост напряжения X₂ на выходе интегратора 4 и напряжения P₂ на выходе интегратора 6. Увеличившийся скачком выход блоков умножения 18, 20, 22 и нарастание напряжения P₂, подающегося на вход "делитель" блока деления 25, действуют как отрицательная обратная связь, останавливая рост напряжения S₂, X₂ и P₂. Конечным результатом будет увеличение напряжения X₂, S₂ P₂, но увеличение S₂ будет относительно больше. Вырастет выходное напряжение nDP₂ на блоке умножения 22, пропорциональное производительности аппаратапо целевому продукту, причем производительность увеличивается относительно больше, чем концентрация кислоты P₂.

Зафиксировав изменения напряжений X₂, S₂, P₂, nDP₂ во времени, получим динамические характеристики ферментатора, работающего в режиме одностадийного хемостата. Зафиксировав новые установившиеся значения этих напряжений при различных D, получим статические характеристики по исследуемым каналам.

В конечном итоге, в режиме одностадийного хемостата с ростом скорости разбавления концентрация субстрата S₂ и производительность ферментатора nDP₂ возрастают. Зависимость концентраций биомассы X₂, кислоты P₂ от скорости разбавления D имеет экстремальный характер.

Полученные статические характеристики позволяют найти оптимальные параметры режима ферментации и рассчитать объем ферментатора, необходимый для получения заданной производительности. Динамические характеристики процесса позволяют рассчитать параметры настройки систем автоматического управления.

Режим 2 - двухстадийный хемостат в установке из двух последовательно соединенных аппаратов. Предположим, необходимо определить величину подпитки S₀₂ в дображиватель из условия обеспечения заданной концентрации S₂. На входных клеммах устанавливаются напряжения, соответствующие n = 1, D, S₀₁, S₀₂. После окончания переходного процесса, протекание которого, в основном, описано выше (режим одностадийного хемостата), фиксируется значение S₂ и делается вывод о необходимом градиенте изменения S₀₂. Процесс повторяется до тех пор, пока не обеспечивается заданная концентрация S₂.

Режим 3 - двухстадийный хемостат в установке из n параллельных ферментаторов и одного дображивателя. Предположим, необходимо определить число ферментаторов n из условия обеспечения максимально допустимой остаточной концентрации S_2доп при отсутствии подпитки в дображиватель. На входных клеммах устанавливаются напряжения S₀₁, S₀₂ = 0, D, n. После окончания переходного процесса фиксируются значения P₂, nDP₂, S₂ и делается вывод о необходимом градиенте изменения n. Процесс повторяется до тех пор, пока не обеспечивается заданная концентрация S_2доп.

На фиг. 2 приведена статическая характеристика двухстадийного хемостата, показывающая зависимость концентраций биомассы X₂ (кривая 1), лимонной кислоты P₂ (кривая 2), остаточного субстрата S₂ (кривая 3) и удельной производительности одного аппарата Q (кривая 4) от числа ферментаторов n. Чем выше n, тем меньше концентрация кислоты в дображивателе, но тем выше удельная производительность установки. Но с ростом n зависимость производительности по лимонной кислоте от числа ферментаторов ослабевает; рост производительности сопровождается быстрым ростом остаточного содержания сахара за принятое максимально допустимое значение S_2доп. Из этой характеристики определяется оптимальное число n_опт ферментаторов, работающих на один дображиватель.

Таким образом, введение в известное устройство дополнительных связей между элементам значительно расширяет класс решаемых задач, позволяя производить расчеты режимов ферментации для одностадийного и двухстадийного хемостата, определять аппаратурный состав ферментационных установок, разрабатывать системы управления процессом биосинтеза. Этим обеспечивается технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения.

Источники информации
1. Патент 2036504 РФ, кл. G 05 B 23/02, G 06 F 3/153. Способ топологического контроля многопараметрических динамических объектов и устройство для его осуществления/ В.И.Агеев (РФ) - N 5031147/24, Заявлено 05.02.97, Опубликовано 27.05.95, БИ N 15.

2. Авторское свидетельство 657443 СССР, кл. G 06 G 7/58. Устройство для моделирования процесса образования катализаторного комплекса /И.С.Рывкина, В. И. Молчанов, М. А. Гуревич, Б. А. Верхорубов, Т.К.Сазонова (СССР). - N 2458643/18-24, Заявлено 02.03.77, Опубликовано 15.04.79, БИ N 14.

3. Аdвторское свидетельство 1624485 СССР, кл. G 06 G 7/22. Управляемый генератор гармонических сигналов /В.А.Дартау, В.В.Алексеев, А.Е.Козярук, Т. О. Россо, М. А.Шашев (СССР) - N 4626327/24, Заявлено 26.12.88, Опубликовано 30.01.91, БИ N 4.

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано для моделирования опытных и промышленных установок при производстве лимонной кислоты. Технический результат - расширение класса решаемых задач за счет моделирования режима двухстадийного хемостата. Устройство содержит интеграторы, сумматоры, блоки умножения и блоки деления. 2 ил.

Устройство для моделирования биосинтеза лимонной кислоты в режиме двухстадийного хемостата, содержащее интеграторы, подключенные каждый к выходу соответствующего сумматора, блоки умножения и блок деления, выходы первого и второго интеграторов подключены к первым входам соответственно первого и второго блоков умножения, выход первого блока умножения соединен с входом первого сумматора, выход первого интегратора подключен к первому входу третьего блока умножения, выход первого блока деления соединен с первым входом четвертого блока умножения, выход пятого блока умножения подключен к входу второго сумматора, выходы шестого и седьмого блоков умножения соединены с входом третьего сумматора, отличающееся тем, что дополнительно введены третий - шестой интеграторы, четвертый - шестой сумматоры, восьмой - четырнадцатый блоки умножения, второй блок деления, причем выход первого интегратора соединен с вторым входом четвертого блока умножения и входом второго сумматора, выход второго интегратора соединен с первыми входами восьмого блока умножения и первого блока деления, выход третьего интегратора соединен с входом четвертого сумматора и первыми входами шестого и седьмого блоков умножения, выход четвертого интегратора соединен с первыми входами девятого блока умножения и второго блока деления, выход пятого интегратора соединен с первыми входами десятого и одиннадцатого блоков умножения и вторым входом первого блока деления, а выход шестого интегратора соединен с первым входом двенадцатого блока умножения и вторым входом второго блока деления, выход второго блока деления соединен с вторым входом седьмого блока умножения, первая входная клемма соединена с первыми входами пятого и тринадцатого блоков умножения и вторыми входами первого, второго и десятого блоков умножения, вторая входная клемма соединена с вторым входом пятого блока умножения, третья входная клемма соединена с первым входом четырнадцатого блока умножения, а второй вход четырнадцатого блока умножения соединен с выходом тринадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с четвертой входной клеммой, выход второго блока умножения соединен с входом второго сумматора, выход третьего блока умножения соединен с входом третьего сумматора, выход четвертого блока умножения соединен с входами первого, второго и пятого сумматоров, выход седьмого блока умножения соединен с входами четвертого и шестого сумматоров, выход восьмого блока умножения соединен с входом четвертого сумматора, выход девятого блока умножения соединен с входом четвертого сумматора, выход десятого блока умножения соединен с входом пятого сумматора, выходы одиннадцатого и двенадцатого блоков умножения соединены с входом шестого сумматора, выход тринадцатого блока умножения соединен с вторыми входами третьего, шестого, восьмого, девятого, одиннадцатого и двенадцатого блоков умножения, выход четырнадцатого блока умножения соединен с входом четвертого сумматора.