Система автоматического управления периодическим процессом ферментации Советский патент 1984 года по МПК C12Q3/00 

f 1

Изобретение относится к микробиологии, а именно к автоматическому управлению процессами ферментации при производстве антибиотиков и може быть использовано в медицинской, иищвой и других отраслях промышленности

Иэвестна система автоматического управления процессом микробиологического синтеза, содержащая датчики и блоки задания оптимального профиля температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате, связанные через переключающие реле с задающими входами соответствующих регуляторов, выходы Которых подключены к исполнителным механизмам, установленным соответственно на линии подачи охлаждающей воды, подачи аэрирующего воздуха и титранта, регулирующего ве1П1чину рН в аппарате С Недостатком данной системы является невысокое качество управления процессом по величине рИ, обусловленное тем, что формирование управляющего воздействия на подачу титранта при помощи регулятора, не учитывающе го изменений динамических характеристик в ходе процесса, не обеспечивает оптимальных условий культивирования, в результате чего происходит снижение выхода целевого продукта.

Наиболее близкой к предлагаемой является система автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию давление и температуры в аппарат, включающие соответственно датчики измеряемых параметров, регуляторы и исполнительные механизмы, и контур регулирования величины рН, включающий датчик и блок задания оптимальной величины рН в аппарате, выходы которых подсоединены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого подключен к выходу релей {ого блока, последовательно соединенные датчик и обратную модель канала управления без запаздывания, а также переключающее реле, выход которого соединен с исполнительными механизмами, установленны1-1и на линии подачи в апгшрат щелочи и кислоты 2

Однако качество регулирования рН с помопью известной системы невысокое, поскольку продолжительность дозы кислоты или щелочи, подаваемой в аппарат, яя.чяется постоянной при любом отклонении вeJПIчины рН от за132

данного значения, что приводит к перидозировке титран/га я случае небольших отклонений величины р от задания, в то время как при изменении

свойств культуральной жидкости в

ходе процесса и при умен1,ше1;ии отклонений по рИ продолжительность дозы титранта также должна корректироваться. При значительном изменении характеристик периоднческого процесса ферментации передозировка тптранта оказывается существенной и приводит к длительным отклонения1-.4 рН до заданного значения, что приводит D

конечном итоге ic снижению выход.а целевого продукта.

Цель изобретения - увс;ли СНие вь;хода целевого продукта путем повышения качества управления.

Поставленная цель достигается тем что система автоматическотч.) управления периодр ческим процессом фе)ментации, содержащая контуры CTa6tkiH3aции расхода поздухп пл аэ 1ацню, д.авления и теьтературы li аппарате, включающие соответстЕ енно датчики измеряемых параметров, регу.аяторы и исполнительные , и контур pej--yjn-iрования величины рН, включающий датчик и бл:ок задания оптимальной величины в аппарате, В1 1ходы которых подсоединены к соответствующим входам первого сумматора, выхол. которого подключен к входу релейного блока последовательно соединенные датчик и обратную модель канала управления без запаздывания, а также переключающее реле, выход которого связан с испол}штельными механизмами, установленными на линии подачи в аппарат щелочи и кислоты, снабжена блоком управления, вторым сумматором и последовательно соединен1гыми третьим сумматором, ключевым элементом и регулятором, при этом входы третьего сумматора соедине1 ы с выходами первого сумматора и обратной модели, в,1ходы релейного блока и регулятора подключены соответственно к первому и второму входам переключающего реле выход которого связан с первым входом второго сумматора, к второму входу KOTopoio подключен выход обратной модели, один из входов блока управления соединен с входом первого сумматора, другой вход - с выходом второго сумматора, а выход подключен к управляющему входу переключа- ющего реле и второму входу ключевого элемента. На чертеже представлена блок-схем системы автоматического управления процессом ферментации. Система содержит контур стабилизации температуры в аппарате 1. вклю чающий датчик 2 температуры, подключенный к входу регулятора 3, связанного с исполнительным механизмом 4, установленным н а линии подачи охлаждающей воды. Контур стабилизации рас хода воздуха на аэрацию содержит дат чик 5 расхода воздуха, подключенный к входу регулятора 6, связанного с исполнительным механизмом 7, установ ленным на линии подачи воздуха на аэрацию. Контур стабилизации давления в аппарате содержит датчик 8, подключенный к входу регулятора 9, связанного с исполнительным механизмом 10, установленным на линии отходящих из аппаратов газов. Контур регулирования величины рН в аппарате содержит последовательно соединенные датчик 11 рН, первый сумматор 12, связанный с блоком 13 задания оптимального профиля- регулирования рН, третий сумматор 14, ключевой элемент 15, регулятор 16, переключающее реле 17, второй вход которого подключен к выходу релейного блока 18, соединенного с выходом первого суммато ра 12, последовательно соединенные обратную модель 19 канала управления подключенную к датчику, 11, второй сумматор 20 и блок 21 управления, вторые входы которых подключены соответственно к выходам переключающег реле 17 и первого сумматора 12. Выход переключающего реле 17 связан с исполнительным механизмам 22 и 23 установленнь1ми соответственно на линии подачи щелочи либо кислоты в аппарат 1. Система автоматического управления работает следующим образом. При отключении величины рН, измеряемой датчиком 11, от заданного оптимального значения, на выходе первого сумматора 12. возникает рассогласование, поступающее на третий сумматор 14, входы релейного регулятора 18 и блока 21 управления. Сигнал с выхода датчика 11 поступает также на выход обратной модели 19, значения параметров которой равны усредненным значениям параметров передаточной функции канала управле 3 ния процессом ферментации по величине рН. СигналС выхода обратной модели 19 поступает через, второй сумматор 20 на вход блока 21 управления, где формируется результирующий сигнал, который сравнивается с заданным пороговым значением. При отклонении текущего значения результирующего сигнала от установленного порогового значения в блоке 21 управления формируется командный сигнал, поступающий на управляющий вход переключающего реле 17 и на вход ключевого элемента 15. Если значение результирующего сигнала вьппе установленного порогового значения, в блоке 21 управления формируется командный сигнал, обеспечивающий посредством переключающего реле 17 подключение выходы релейного блока 18, формирующего управляющее воздействие в виде импульсов, постоянных по амплитуде U(t), н входы исполнительных механизмов 22 и 23. В зависимости от знака отклонения рН от заданного значения с помощью исполнительного механизма 22 или 23 осуществляется подача дсЗзы титранта постоянной по амплитуде, в аппарат . Одновременно сигнал с выхода переключающего реле 17 поступает на вход второго сумматора 20, где управляющее воздействие U(t) сравнивается с выходом обратной модели 19, передаточная функция которой aппpoкcIiмиpyeтcя обратной передаточной функцией кана- ла управления величиной рН. Поскольку обратная модель 19 включена последовательно с задатчиком 11 рН, то выходной сигнал обратной модели 19 тождественен входному сигналу канала управления величиной рН, т.е. входному воздействию U(t). При соответствии параметров передаточной функции обратной модели текущим параметрам передаточной функции канала управления величиной рН рассогласование между выходным сигналом переключающего реле, равным в данном случае , и выходным сигналом обратной модели 19, равным при Wj(P) WgCP) величине входного воздействия X(t), так как в этом случае ,w,(p).w.-- () , X(t) и где Wg() - передаточная функция объекта; () - передаточная функция обратной модели; 5 :отсутствует и сигнал на выходе вто-. рого сумматора 20 равен нулю. При этом в блоке 21 управления с величиной порогового значения сравнивается только величина сигнала рассогласования между заданным и текущим значе ниями рН поступающего на вход блока 21 упрадления с выхода первого сумматора 12, Вследствие воздействия релейного блока 18 на подачу титранта (щелочи либо кислоты) с помощью исполнительного механизма 22 или 23 происходит уменьшение величины откло нений рН от заданной. В этом случае рассогласование йа выходе первого сумматора 12 уменьшается и при дости жении заданной пороговой величины бл управления 21 выдает командн сигна поступающий Н1Э ключевой элемент 15, который осуществляет подключение вых да третьего сумматора 14 на вход рег лятора 16. Одновременно комайдный сигнал с выхода блока 21 управления поступает на управляюпрй вход перекл чающего реле 17, которШй при этом осуществляет коммутацию выходного сигна ла аналогового регулятора 16 на вход исполнительного механизма 22 и 23, Если к этому моменту времени величи|на рН не достигла заданного значения то выходной сигнал первого сумматора 12, не равный нулю, поступает на вход регулятора 16, который продолжает формировать воздействие через переключающее реле 17 на подачу титранта. Поскольку подключение регулятора 1 босуществляется вблизи устанавливающегося значения рН, то регулято 16 обеспечивает доведение рН к задан ному значению малыми дозами титран-. та. Это исключает передозировку титранта, а следовательно, исключается неблагоприятное влияние подаваемых растворов щелочи и кислоты на выход целевого продукта биосинтеза. По мере дальнейшего протекания периодического процесса ферментации реологические свойства культуральной жидкости изменяются, ухудшаются массообменные характеристики и качество гидродинамической обстановки в аппарате. В конечном итоге это приводит к тому, что динамические свойства канала регулирования величины рН з удшаются. В этом случае для уменьшения длительности переходных процессов по каналу регулирования рН следует увеличить подачу титранта максимальной дозы, В предлагаемой 13 системе это достигается за счет того, что при отклонении параметров передаточной функции канала регулирования рН вследствие изменения свойств культуральной жидкости от параметров обратной модели рассогласование между выходным сигналом обратной модели 19 и выходным сигналом переключающего реле 17 не равно нулю. Этот сигнал рассогласования с выхода второго сумматора 20 вместе с.сигналом рассогласования при отклонении рН от заданного значения с выхода первого сумматора 12 поступает на вход блока 21 управления, в котором полученный результирующий сигнал продолжает сравниваться с заданной величиной порогового значения. При превьш1ении результирующий сигналом порогового значения блок 21 управления вьщает командный сигнал, поступающий на переключающее реле 17, которое вновь коммутирует выходной сигнал релейного блока 18 на вход исполнительного механизма 22 или 23, обеспечивая подачутитранта в аппарат 1, При изменении динамических характеристик канала регулирования рН (например при отклонении текущего значения коэффициента усиления объек1 та по каналу регулирования величины рН от значения коэффициента в модели, например при уменьшении его) время достижения результирующим сигналом установленного порогового увеличивается. В этом случае сигнал с выхода блока 21 управления на переключение реле 17 не поступает и подача в аппарат 1 дозы максимальной величины продолжается. При достижении результирующим сигналом установленного порогового значения с выхода блока 21 управления поступает сигнал на ключев.ой элемент 15 и переключающее реле 17, В этом случае на вход регулятора 16 через третий сумматор 14 поступает сигнал рассогласования с выхода первого сумматора 12 и выходной сигнал обратной Модели 19, обеспечивающий компенсацию инерционности канала регулирования величины рН, способствуя снижению длительности переходного процесса, а выход регулятора 16 коьдаутируется на соответствуюпщй исполнительный механизма, с помощью которого осуществляется доведение величины рН до заданного значения. При отклонении текущего значения коэффициента усиления объекта по каналу регулирования рН в сторону увеличения его от значения, ydтановленного в модели, результирующий сигнал, формируемый в блоке 21..управления, быстрее достигнет установленного .порогового значения. .За счет этого продолжительность подачи дозы титранта максимальной амплитуды ограничена, а подключение регулятора 16 обеспечивает дов.едение рН до заданного значения без существенного перерегулирования . Таким образом, в предлагаемой системе за счет коррекции продолжительности дозы титранта максимальной величины в зависимости от изменений коэффициента усиления/объекта, определяемых по величине рассрг-ласования между выходным сигналом обратной модели 19 и сигналом входного воздействия на объект, поступающего с выхода переключающего реле 17 обеспечивается качественное регулирование величины рН в аппарате 1.

Стабилизация температуры в аппарате t осуществляется с помощью регулятора 3 и исполнительного механизма 4, воздействующего подачу охлаждающей воды.

Стабилизация расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате осущестBJ;яeтcя соответственно с помощью регуляторов 6 и 9 и исполнительных механизмов 7 и ТО, воздействующих на подачу воздуха в аппарат и сброс отходящих газов.

В результате реализации системы автоматического управления периодическим процессом ферментации путем повышения качества управления посредством дискретно непрерывного дозирования раствором щелочи и кислоты на разных этапах нестационарного процесса, исключающего неблагоприятное влияние избыточных доз щелочи и кислоты на выход при биосинтезе, увеличивается выход щелевого продукта на 3,5%.

Экономический эффект составляет 7,6 тыс. руб. в год. ..

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАЦИИ, содержащая контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию, давления и температуры в аппарате, включающие соответственно датчики измеряемых параметров, регуляторы и исполнительные механизмы, и контур регулирования величины рН, включающий датчик и блсйс задания оптимальной величины рН в аппарате, выходы которых подсоединены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого подключен к входу релейного блока, последовательно соединенные датчик и обратную модель канала управления без запаздывания, а также переключающее реле, выход которого связан с исполнительными механизмами, установленными на линии подачи в аппарат щелочи и кислоты, отличающаяся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта путем повышения качества управления, она снабжена блоком управления, вторым сумматором и последовательно соединенными третьим сумматором, . ключевым элементом и регулятором, при этом входы третьего сумматора соединены с выходами первого сумматора и обратной модели, выходы релейного блока и регулятора -подключены (Л соответственно к первому и второму входам переключающего реле, выход которого связан с первым входом второго сумматора, к второму входу которого подключен выход обратной модели, один из входов блока управления соединен с входом первого сумматора, другой вход - с выходом второго сумматора, а выход подключен к управляющему входу переключающего реле и второму входу ключевого элемента. со