Система автоматического управления процессом культивирования аэробных микроорганизмов Советский патент 1983 года по МПК G05D27/00 

Изобретение относится к управление «роцессом культивирования микроорганизмов и может быть использовано в пищевой, медицинской и микробиологической промышленностях.

Известна система автоматического уйравления процессом культивирования микроорганизмов/ содержащая ферментер с линией подачи воздуха и маиалкой, исполнительный механизм для управления мешалкой и линией подачи воздуха, датчики определения количества, кислорода во входящем воздухе и отработанных газах, блок определения разности кислорода во входящем и отработанных газг1Х, датчики определения концентргщии биомассы и концентрации синтезируемого целевого продукта.

. В данной системе производится автоматическое регулирование пода чи аэрирующего воздуха и скорости вращения мешалки ферментатора в зависимости от концентрации биомассы, синтезирующего продукта и разности содержания кислорода в аэрирующем воздухе и выходящем газе

Недостатком известной системы автоматического управления процессом культивирования является то, что ав-

.томатическое управление подачей воздуха и с.коростью вращения мешалки

не Обеспечивает оптимальные условия 5 для биосинтеза метаболита с учетог окислительно-восстановительнрго потенциала Eh. Для многих процессов микробного синтеза оптима;1ьными являются такие условия, при которых 10 .парциальное давление растворенного кислорода - рО находится в той области, где его измерение именжцимися средствами (мембранными датчиками) затруднено. Именно в этой области .,изменения рО эффективно измеряется Eh, но эта величина зависит как

от рОа , так и от рН среды, что видно из выражения

™ --Е.-Ее.-.„-Ерн.Ееп,а,

.и при Eh - ЕО - 0,06 рН + : + 0,015 Ig pOj,,

25

где Eh - окйслительнот-восстановительный потенциал,

мв;

Е- - постоянный потенциал,

зависящий от химическо30го состава среды,. мВ,

газовая постоянная, рав

пая 8,314 10 эрг/град X

X моль;

абсолютная температура,

число Фарсщея, равное

96500 Кл,

активность ионов гидроксила;

парциальное давление

растворенного кислорода.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является система автоматического управления процессом культивирования аэробных микроорганизмов.в ферментере, включающая регулируемьой привод скорости вращения маиалки, управляемый клапан, установленньй на линии подачи воздуха на аэрацию,датчики рН среды и окислительно-восртановительного потенциала, программный блок, подключенный к входу блока анализа, выход которого соединен с формирователем управляющих сигналов. -Данная система осуществляет контроль и регулирование рН и окислительно-восстановительного потенциала срйды. Также ос.уществляется регулирование числа оборотов мешалки и подача воздуха на аэрацию с учетом величины прироста концентрации живых организмов и отношения концентраций -живых организмов и концентрации биомас-сыС2. .

Недостатком этой системы является то, что не исключается возможность самовозбуждения, за счет чего снижается эффективность автоматического регулирования.

Кроме того, отсутствие синхрон- ности между скоростью вращения мегшкии подачей аэрирующего воздуха может привести к такому состоягнию, когда для достижения одной цеи мешалка вращается с крайней максимальной или минимальной скоростью, а аэрация в это время автоматически устанавливается на таком крайнем уровне,. который противодействует пере ещению, что приводит к прекращению регулирования и отсутствию деполяризации электрода, измеряющего окисительно-восстановительный потенциал Eh, и снижает точность измерения, а тем самым - точность автоматиеского регулирования. Все перечисе| ные недостатки известной системы автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов являются причиной снижения выхода целевого продукта.

Целью изобретения является увелиение выхода целевого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что система автоматического управения процессом культивирования аэробных микроорганизмов в ферментере, включающая регулируемый привод скорости врсццения мешалки, управляемый клапан, установленный на линии йодачи воздуха на аэрацию, датчик рН среды, датчик окислительно-восстановительного потенциала и программный блок, подключенный к входу блока , выход которого соединен с I формирователем управляющих сигналов .Снабжена коммутатором, сумматором, широтно-импульсным модулятором И генератором синхроимпульсов, выход последнего подключен к входу блока анализа и одному из входов ком:мутатора, другой вход которого соединен с датчиком окислительно-восстановительного потенциала, а выход с сумматором, причем вход последнего связан с датчиком рН бреды, а выход - с входом блока анализа, при -этом вход, связанного через тахогенератор с приводом мешалки широтно-импульсиого модулятора подключен к входу формирователя управляющих сигналов соединенного с приводом мешалки, а выход широтно-импульсного модулятора связан с управляемым клапаном, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию.

Кроме того, система снабжена генератором деполяризационных импульсов, вход которого связан с генератором синхроимпульсов, а выход - с коммутатором.

На чертеже показана схема предложенной системы автоматичесгкого управления процессом культивирования аэробных микроорганизмов.

В ферментере ,1 вмонтирован датчик 2 измерения окислительно-восстановительного потенциала Eh, который через коммутатор 3 подключен к одному из входов сумматора 4, второй вход которого соединен с выходом датчика 5 рН среды, вмонтированного также в ферментере 1. Выход сумматора 4 подключен к входу блока анализа, состоящего из двух узлов б и 7 хранения информации, сумматора 8 и порогового ключа 9, причем один из входов блока анализа является вход узла 6 хранения информации, выходом связанного с сумматором, выход которого через пороговый ключ подключён к входу узла хранения информации.

Второйвход блока анализа, которым является вход сумматора 8, связан с выходом программного блока 10, а выход блока .анализа - с входом формирователя 11 управляющих сигналов. Выход формирователя 11 управляющих сигналов подключен к входу широтноимпульсного модулятора 12, выходом связанного с управлякнцим входом клапана 13 и к двигателю 14, вал которого связан с валом мешапкй 15 и с валом тахогенератора 16, соединенного выходом с входом широтно-импульсного модулятора 12.

Выход генератора 17 синхроимпульс сов подключен к входу коммутатора 3, к входам узлов б и 7 хранения информации блока ансшиза н к запускающему входу генератора 18 деполяризованных импульсов, выход которого через коммутатор 3 соединен с датчиком 2 окислительно-восстановительного потенциала.

Датчики рОд др. на чертеже не показаны для упрощения чертежа.

Система работает следующим образом.

Выходной сигнал с датчика 2, соответствукмций Eh раствора, поступает на вход суьвлатора 4 через коммутатор .3. .

Потенциал электродной системы датчика 2 для измерения Eh, как это отмечено Bi;iiiie, зависит .от рО и рН в растворе. Вследствие поляризации потен.циал электрода датчика 2 произвольно меняется. .

Ддя устранения этого датчик 2 коммутЕэторов 3 с -периодом 3-10с отключается от сумматора 4 и подключается к генератору 18 деполяризационных импульсов, сраьбатываюсцему от управляющего импульса генератора 17 синхроимпульсов. Происходит деполяризация, т.е. токовое разрушение, верхнего молекулярного слоя электрода, после чего чувствительность его возобновляется и он вновь коммутатором 3 подключается к входу сумматора 4. .

На вход сумматора 4 поступает также сигнал с датчика 5 отражающий рН среды, что приводит к устранению влияния изменения рН среды на Eh, поэтому выходной сигнал сумматора 4 отражает уже не Eh, а гЙа-рН

Скорректированный в сумматоре 4 сигнал заряжает узел б хранения информации блока анализа после прихода на управляющий вход узла 6 хранения информации управляющего импульса с генератора 17 синхроимпульсов

Сигнал от узла 6 хранения информации поступает на первый вход сумматора 8, на второй вход которого поступает установленное напряжение с программного блока 10. Выходной сигнал сумматора 8 следует на вход порогового ключа 9. При превышении порога, определяемого зоной нечувствительности системы, сигнал поступает на вход узла 7 хранения информации, блока анализа, который после прихода от генератора 17 синхроимпульсов управляющего импульса, изменяет свой заряд.

Выходной сигнал узла 7 хранения информации, работающего в режиме

интегратора, поступает на вход формирователя 11 управляющих сигнгшов. С выхода формирователя управляющих сигналов поступают корректирующие сигналы на вход привода 14,

вследствие чего изменяется интенсивность перемешивания,изменяется Eh раствора, выравнивгиотся сигналы от узла 6 хранения информации и программного блока 10, система устанавливается в заданный режим.

Так как выходное напряжение тахогенератора 16 изменяется пропорционально скорости вращения мешапки 15,: то меняется и длительность (широта)

выходных импульсов широтно-импульсного модулятора 12 и, следовательно, суммарная пропускная способность управляющего клапана 13, установленного на линии п одачи воздуха на аэрацию, причем кг1ждой скорости вращения мааалки 15 соответствует одна определенная пропускная способность клапана 13, что обеспечивает синхронность в работе мешалки и icnапана, таким образом согласуются управления работой мешалки 15 и клапана 13, установленного на линии подачи .воздуха на аэрацию.

Годовой экономический эффект от применения предложенной система автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов при nffoHSBOAстве лизина по сравнению с прототипе ожидается в размере 0,7-1,05 млн.руб. в год.

Форглула изобретения

1, Система автоматическо17Оуправления процессом культивирования аэробных микроорганизмов в ферментере, включающая регулируемый привод скорости .вращения мешалки, управляемый

клапан, установленный на линии пода чи воздуха на аэрацию, датчики pR среды и окислительно-восстановительного потенциала программный блок, подключенный к входу блока анализа, выход которого соединен с формирователем управляющих сигналов, отличающаяся тем, что, с цепью увеличения выхода целевого гфодукта, она снабжена коммутатором, сумматором, широтно-импульсным модулятором

и генератором синхроимпульсов, выход последнего подключен к входу блока анализа и одному из входов коммутатора, другой вход которого соединен с датчиком окислительно-восстаиовительного потенциала, а выход - с сумматором, причем вход последнего связан с датчиком рН среды, а кьисодс входом блока анализа, при этом вход связанного через тахогенератор

с приводом мешалки широтно-импульсHoro модулятора подключен к входу формирователя управляющих сигналов, соединенного с приводом мешалки, а наход широтно-импульсного модулятора связан с управляемым клапаном, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена генератором децоляризационных импульсов, вход которого связан с генератором синхроимпульсов, а выход - с KONBv TaTOpoM.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 483426, кл. с 12 J.3/00, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР 662579, кл. С 12 N 1/00, 1977.