Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов Советский патент 1984 года по МПК C12Q3/00 

Изо1 ретение относится к системам управления процессами непрерывного выращивания микроорганизмов, например кормовых дрожжей, на субстратах гидролизного производства и может быть использовано в микробиологической промышленности.

Известна система автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, содержащая контуры регулирования подачи воздуха, воды, питательных солей, гидролизата, температуры дрожевой суспензии в аппарате, рН дрожжевой суспензии и объема биомассы в аппарате, датчик концентрации редуцирующих веществ в поступающем субстрате и отбираемой культуральной жидкости, блок определения экономического коэффициента, блок сравнения пред1аествующего. значения экономического коэффициента с последующим и блок времени, при этом вход блока определения экономического коэффициента соединен с датчиками концентрации дрожжевой суспензии и редуцирующих веществ в поступающем субстрате и отбираемой культуральной жидкости, а выход - посредством регулятора соотношения с регуляторами контуров регулирования подачи воздуха, воды, минеральных солей и гидролиэата Cl.

Недостатком данной системы является высокая себестоимость биомассы, так как экономический коэффициент не оценивает количества неутилизированного субстрата, что снижает эффективность его исполь-зования. Кроме того, система не оценивает эффективности использования минеральных солей, так как экономический коэффициент не оценивает величину их расхода.

Наиболее близкой к изобретению является система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая контуры регулирования подачи воздуха, воды, минеральных солей, и гидролизата и контуры стабилизации объема, кислотности, и температуры культуральной среды, датчики концентрации дрожжевой суспензии, расхода и концентрации поступающего субстрата и расхода минеральных солей, регулятор соотношений, выход которого соединен с регуляторам контуров регулирования подачи воздуха, воды, мийеральных солей и гидролизата, блок определения коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы, вход которого соединен с датчиками концентрации дрожжевой суспензии,расхода и концентрации поступающего субстрата и расхода минеральных солей, и блок времени 23.

Недостатком этой системы являетс низкая точность управления, а тем самым и интенсивность процесса выращивания микроорганизмов, так как управление ведется по моментам, а не среднеинтегральным значениям коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы, что снижает, качество работы системы. Кроме того, величина поискового шага не зависит от величины изменения коэф фициента технолоричеСких затрат, вызванного единичным изменением управляющего воздействия, что увеличивает время переходных процессов, а это снижает эффективность исполь.эования питательного субстрата.

Эффективность использования питательного субстрата увеличивает снижение коэффициента технологических затрат питательного субстрата, приведенного на единицу полученной биомассы.

Целью изобретения является увеличение производительности и эффективности использования питательного субстрата.

Поставленная цель- достигается тем, что система автоматического управления процессом непрерывного вырсвдивания микроорганизмов, содержащая контуры регулирования подачи воздуха, воды, минеральных солей и гидролизата и контуры стабилизации объема, кислотности и температуры культуральной среды, датчики концентрации дрожжевой суспензии, расхода и концентрации поступающего субстрата и расхода минеральных солей, регулятор соотношений, выход которого соединен с регуляторами контуров регулирования подачи воздуха, воды,, минеральных солей и гидролизата, блок определения коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы, вход которого связан с датчиками концентрации дрожжевой суспензии, 1 асхода и концентрации поступакддего субстрата, и расхода минеральных солей и блок времени, снабжена блоком определения градиента среднеинтегрального значения коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы, вход которого соединен с блоком времени и с блоком определения коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведе,нных на единицу полученной биомассы, а выход с регулятором соотношений.

На чертеже изображена система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов.

Система содержит контуры регулирования подачи воздуха, воды, минеральных солей и гидролизата и для обеспечения устойчивости характеристик процесса контура стабилизации объема, кислотности и т.емпературы культуральной среды в ферментере 1, датчики 2-5 соответственно концентрации дрожжевой суспензии расхода и концентрации поступающего в Ферментер субстрата и расхода минеральных солей.

Контур подачи.воздуха включает датчик б расхода, регулятор 7 и исполнительный механизм 8.

Контур регулирования подачи воды включает датчик 9 расхода, регулятор 10 и исполнительный механизм 11

Контур регулирования подачи минеральных солей содержит датчик 5 расхода минеральных солей, регулятор 12 и исполнительный механизм 13

Контур регулирования подачи гидролизата включает датчик 14 расхода, регулятор 15, исполнительный механизм 16.

Контур стабилизации объема дрожжевой суспензии в ферментере состоит из датчика 17, регулятора 18 и исполнительного механизма 19, установленного на линии отбора дрож- жевой суспензии. Контур стабилизации кислотности дрожжевой суспензии включает датчик 20 кислотности/ регулятор 21 и исполнительный ме.ханизм 22 на линии подачи раствора аммиака в ферментер.

Контур стабилизации температуры дрожжевой суспензии в ферментере включает датчик 23 температуры, регулятор 24 и .исполнительный механизм 25 на линии подачи охлаждающей воды.

Кроме того, система содержит регулятор 26 соотношений, выход которого соединен с регуляторами 7, 10., 12 и. 15 контуров подачи воздуха, воды, минеральных солей и гидролизата и блок 27 времени.

Система также снабжена блoкcuvш 28 и 29 определения коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы, и определения градиента среднеинтегрального значения (коэффи-. циента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы), при этом вход

блока 29 соединен с блоком 27 времени, а выход - с регулятором 26 соотношений, вход блока 28 связан с датчиками 2-5 концентрации дрожжевой суспензии, расхода и концентрации поступающего субстрата и расхода минеральных солей, а выход с блоком 29 определения градиента среднеинтегрального значения коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной бирмассы.

Система работает следующим образом.

Датчики 2-5 измеряют концентра;цию дрожжевой суспензии, расход и концентрацию поступающего субстрат и расход минеральных солей. Сигналы измерения величин поступают в блок 28 определения коэффициента технологических затрат питательног субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученг й биомассы, где осуществляется автоматичёское вычисление себестоимости биомассы. Полученный результат подают на вход блока 29 определения градиента среднеинтегрального значения коэффициента технологических затрат в п-м интервале времени Срр (п) с его среднеинтегральной величной в предшествующем интервале (п-1), от изменения управляющего воздействия в п-1 интервале JU(п-1) (концентрации подавляемого субстрата и расхода минеральных солей) и в зависимости от результатов сравнения на вход регулятора 26 соотношений поступает сигнал об изменении редуцирующих веществ (РВ) субстрата и соответствующих им подач воды,гидролизата,воздуха и минеральных СОЛ ей. Величину управляющего сиг нала можно выразить выражением )-С (nnj

ср

ср

:U(nb.U|n-.)-K j, .

если Cj. (n)-Cgp (п-1)0,

U(n);U(n.2/-K-V± 5 :: .. .. лиСпгИ . если С (n) (n-l)0,

где Г - среднеинтегральная . Q величина себестоиJ мости в интервале С . времени Т; 4и(п-1)

и(п-1)-и(п-2)- величина измерения управляющего воздействия в п-1 интервале времени;

К - коэффициент, усилени от величины которого зависят динамические свойст.ва системы.

Блок времени 27 служит для задания промежутков времени/ через которые осуществляется определение градиента среднеинтегрального значения коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенные на единицу полученной биомассы.

С выходов регулятора 26 соотношений на входы Задание регуляторов 7, ГО, 12 и 15 поступают сигналы, изменяющие величину Задание , что приводит к рассогласованию текущих значений измеряемой величины, поступающей с датчиков 6, 9, 5 и 14, соответственно и заданием. Определенные этим, рассогласованием команды с регуляторов 7, 10,12 и 15 поступают на исполнительные механизмы 8, 11, 13 и 16 контуров регулирования подачивоздуха, минеральных солей, воды И гидролизата, . .

В случае превышения заданного объема культуральной жидкости в ферментере 1 возникает рассогласование в регуляторе 18 между заданньлм и текущим .значениями объема дрожжевой суспензии, измеряемым посредством датчика 1.7. В результате этого исполнительный механизм 19 на линии отбора дрожжевой суспензии восстанавливает заданный объем дрожжевой суспензии.

Регулирование кислотности куль- туральной жидкости осуществляется регулятором 21 посредством исполнительного механизма 22 на линии подачи аммиачной воды в ферментере. Сигналом регулирования служит рассогласования между заданным и текущим .значениями кислотности, измеряемыми

датчиком 20.

Термостатирование процесса культивирования осуществляется регулято ром 24 посредством воздействия на исполнительный механизм 25, уста0 новленный на линии подачи охлаждающей воды в змеевик, или на наружную поверхность ферментера при наличии рассогласования между заданием и текущим значением темпера5 туры, измеряемой датчиком 23.

Предлагаемая система управления JDtaeT снижение себестоимости биомассы по сравнению с прототипом 6%.

Q Также уменьшается отклонение концентрации биомассы и субстрата от оптимальной величины на 5-7%, что повышает точность управления системы. Это достигается за счет под5-Д Рж чия себестоимости биомассы в области оптимума и управления по среднеинтегральному значению целевой функции. Данная система управления может быть использована в первую очередь на предприятиях, где на отходах основного производства могут выращиваться кормовые дрожжи. Реализация системы управления может быть осуществлена на серийно выпускаемой .Аппаратуре, а также с

5 использованием ЭВМ.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ,содержащая контуры регулирования подачи воздуха, воды, минеральных солей и гидролизата и контуры стабилизации объему, кислотности и температуры культуральной среды, датчики концентрации дрожжевой суспензии, расхода и концентрации поступающего субстрата и расхода минеральных солей, регулятор соотношений, выход которого соединен с регуляторами контуров регулирования подачи воздуха, воды минеральных солей и гидроли li&iljii: ;, J зата, блок определения, коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы, вход которого связан с датчиками., концентрации дрожжевой суспензии, расхода и концентрации поступающего субстрата и расхода минеральных солей, и блок времени, отличающаяся тем, что, с целью увеличения производительности и эффективности использования питательного, субстрата, она снабжена блоком определения градиента среднеинтегрального. значения коэффициента технологических затрат, питательного субстрата и ми неральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы, вход которопо соединен с блоком времени и с блоком определения коэффициента технологических затрат питательного субстрата и минеральных солей, приведенных на единицу полученной биомассы, а выход - с регулятором ,соотношений. VI СО to 00 со