Устройство для определения кинетических коэффициентов биохимической реакции Советский патент 1984 года по МПК G06G7/60 

Изобретение относится к автоматик и вычислительной технике и может быть использовано при исследовании прртекания биохимических реакций в микробиологической, ферментной, спир ТОБОЙ, пищевой и других отраслях промьшшенности, а также при исследо- вании процессов биологической очистки сточных вод. Известно устройство для определения константы скорости химической реакции, содержащее последовательно включенные потенциометр и интегратор один выход которого подключен к потенциометру, а другой - к входу сумматора 13Однако данное устройство не позво ляет определять кинетические коэффициенты при биохимической реакции,что делает невозможным его использование в указанном случае. Наиболее близким к изобретению является устройство для определения кинетических коэффициентов биохимической реакции, содержащее блок умножения, сумматор, интегратор концен трации биомассы, выход которого подключен к первому входу первого сумматора линейного отклонения и генера тор линейно изменяющегося напряжения выход которого через первый функциональный преобразователь подключен ко второму входу первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами первого блока вычис ления квадратичного отклонения, выход которого через первый масштабиру ющий блок подключен к первому входу интегратора суммарного отклонения, выход которого является выходом устройства. Кроме того, устройство содержит ряд усилителей 2, Однако указанное устройство позво ляет подобрать лишь два кинетических коэффициента и jj в простом уравнении Вольтерра If EX-riX , (1) где X - концентрация клеток микроорганизма-, g - максимальная скорость роста микроорганизмов в отсутствие взаимовлияния; /i - коэффициент взаимовлияния. Уравнение (1) не нашло широкого применения в микробиологической прак тике, так как в него не входят по крайней мере следующие факторы, необходимые при исследовании биохимической реакции; экономический эффект, показывающий использование субстрата; зависимость скорости роста от концентрации субстрата (подобная зависимость существует для всех микроорганизмов) } коэффициент, учитывающий отмирание части микроорганизмов, что особенно важно учитьгоать при больших временах пребывания микроорганизмов в аппаратах и неблагоприятньк условиях их культивирования. Наиболее точно описывают, поведение микробной популяции, уравнения - r/uX-KjjX -, (5) ; . А 1 dX cJt Y где X - концентрация биомассы микроорганизмов, г/Л} 5 - концентрация субстрата,г/лj ju. - удельная скорость роста, Kj) - фактор отмирания микроорганизмов, 1/ч; Y - экономический коэффициент, Точность описания экспериментальных данных уравнениями (2) - (4) во многом зависит от выбора типа зависимости (3). Наиболее удобной является уравнение Эндрюса ( ( которое учитывает как лимитирование скорости роста микроорганизмов недостатком субстрата S , так и ее ингибирование избытком субстрата. В этом уравнении д1 - максимальная удельная скорость роста, 1/ч; «5 константа полунасыщения, г/л; Кконстанта, л/г. Уравнение (5) хорошо еще и тем, что при оно автоматически переходит в часто применяемое в микробиологической практике уравнение Моно (6) и является таким образом его более общим случаем/ (5)Аг Данное устройство позволяет быстро производить вычисление кинетических констант /U. ,Kg, Y,K и KQ в часто- употребимых в энзимальной кине тике уравнениях (2), (3), (4), ураннение (3) имеет при этом вид (5), ко торые наиболее точно характеризуют систему микроорганизмы - субстрат. Целью изобретения является повыше ние точности и скорости определения кинетических коэффициентов биохимической реакции. Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения кинетических коэффициентов биохимической реакции, содержащее блок умножения, сумматор, интегратор концентрации биомассы, выход которого подключен к первому входу первого сумматора линейного отклонения, и генератор линейно изменяющегося напряжения, вы ход которого через первый функционал ный преобразователь подключен к второму входу первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами первого блока вычисления квадратичного отклонения, выхо которого через первый масштабирующий блок подключен к первому входу интегратора суммарного отклонения, выход которого является выходом устрой ства, введены четыре инвертора, блок дифференцирования концентрации биомассы, блок задания значения полунасьщения, блок деления, интегратор ко центрации субстрата, второй сумматор линейного отклонения, второй блок вы числения квадратичного отклонения, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабирующие блоки, квадратор и второй функциональный преобразователь, вход и выход которого подключены соответственно к выходу гене ратора линейно изменяющегося напряжения и к первому входу второго сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами второго блока вычисления квадратичного отклонения, выход которого через второй масштабирующий блок подключен к второму входу интегратора суммарного отклонения, выход интегратора концентрации биомассы соединен с первым входом блока умножения, через пятый масштабирующий блок - с первым своим входом и через инвертор - с вторым входом блока умножения и с входом блока дифференцирования концентрации биомассы, выход которого через третий масштабирующий блок подключен к входу интегратора концентрации субстрата, выход которого соединен с первым входом сумматора, вторым входом второго сумматора линейного отклонения, с первым входом квадратора и через инвертор - с входом делителя блока деления и с вторым входом квадратора, выход которого через четвёртый масштабирующий блок подключен к второму входу сумматора, выход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого через шестой масштабирующий блок подключен к третьему входу блока умножения, выход блока задания значения полуна- сыщения соединен с третьим входом сумматора. На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - графики концентраций биомассы и субстрата. Устройство содержит (фиг.1) интегратор 1 концентрации биомассы, пятый масштабирующий блок 2 (задания фактора отмирания микроорганизмов),блок 3 умножения, первый сумматор 4 линейного отклонения, инвертор 5, блок 6 дифференцирования, третий масштабирующий блок 7, интегратор 8 концентрации субстрата, сумматор 9, инвертор 10, второй сумматор 11 линейного отклонения, квадратор 12, четвертый масштабирующий блок 13, блок 14,задания значения прлунасьш ;ения, блок 15 деления, шестой масштабирующий блок 16 (задания максимальной удельной скорости роста), генератор 17 линейно изменяющегося напряжения, первый и второй функциональный преобразователи 18 и 19, в.которых аппроксимируются экспериментальные концентрации биомассы и субстрата соответственно, второй блок 20 вычисления квадратичного отклонения, инвертор 21, первьй масштабирующий блок 22, интегратор 23 суммарного отклонения, второй блок 24 вычисления квадратичного отклоненияi инвертор 25 и второй масштабирующий блок 26. Интеграторы 1 и 8 служат для решения уравнения (2) и (4). На них выставляются начальные значения концентрации биомассы XQ и субстрата So Интегратор 23 служит для вьпгасления функции невязки. Блоки 2, 7, 13 служат для установ ки и подбора численных значений кине тических параметров К-, 1/Y, К. Блоки 14 и 16 служат для установки и подбора численных значений константы полунасыщения Kg и максимальной удельной скорости роста ft, . Блоки 22 и 26 служат для установки в зависимости от концентраций субстрата и биомассы весовых коэффициентов ft я ft , Устройство работает следующим об разом. Экспериментально полученные значения концентраирй биомассы микроорганизма (i) и субстратаS (i) для которых необходимо получить численное значение кинетических параметров /U , K,Y,K , К.р, набираются как функции времени на функциональных блоках 18 и 19 соответственно. На интеграторах 1 и 8 выстанавливаются начальные з начения концентрации биомассы Xg и субстрата 5 . С помощью блоков 2, 7, 13, 14, 16 устанавливаются начальные приближения соответствующих кинетических параметров (берутся из литературных источников, а если тако вьЬс нет, то устанавливаются произвольно) . Блоками 22 и 26 устанавли- вайтся весовые коэффициенты /S и р таким образом, чтобы вьшолнялось cor отношение где и Х - средние зкспериментальнь1е значения концентраций субстрата и биомассы, определяемые из соотношений ЭКСП 1 1Г, i где ,n номер экспериментального значения, ,п - максимальное число экспериментальных значений. На схему подается питакядее напряжение. Устройство работает в ечение времени ,T , где Т-.макси-мальное замасштабированное время в экспериментальных данных (фиг.2). По истечении времени Т замеряется напряжение на выходе интегратора 23. Естественно, что из-за несоответг ствия X(-t) и (t), а также S (t) j gSKcn j напряжение яа выходе интегратора 23 равнр некоторому IL отличному от нуля. Последовательным вращением ручек потенциометров блоков 2, 7, 13, 14, 16, каждьй раз включая устройство, добиваются наименьшего значения напряжения U , что соответствует наилучшему описанию кинетики данными значениями /и. , Kg, , К, К-, которые соответствуют настройкам потенциометров. Таким.образом, предлагаемое устройство за счет введения новых блоков и связей между ними позволяет подобрать кинетические параметры биохи- мической реакции, наиболее точно ха- рактеризующие протекание процесса.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ -- КИНЕТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ, содержащее блок умножения, сумматор, интегратор концентрации биомассы, выход которого подключен к первому ВХОДУ первого сумматора линейного отклонения, и генератор линейно изменяющегося напряжения, ВЫХОД которого через первый функциональный преобразователь подключен к второму ВХОДУ первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами первого блока вычисления квадратичного отклонения, -ВЫХОД которого через первый масштабирующий блок подключён к первому ВХОДУ интегратора суммарного отютонения, выход которого является ВЫХОДОМ устройства,- отличающее с я тем, что, с целью повьппения точности и скорости определения параметров биохимической реакции, в него введены четьфе инвертора, блок дифференцирования концентраций биомассы, блок задания значения полунасыщения, блок деления, интегратор концентрации субстрата, второй сумматор линейного,-отклонения, второй блок вычисления квадратичного отклонения, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабирукнцие блоки, квадратор и второй функциональный преобразователь, вход и выход которого подключены соответственно к ВЫХОДУ генератора линейно изменяющегося напряжения и к первому входу второго сумматора линейного отклонения, ВЫХОД которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами второго блока вычисления квадратичного отклонения, выход коi торого через второй масштабирующий блок подключен к второму входу интегратора суммарного отклонения, выход интегратора концентрации биомассы соединен с первым входом блока умножения, через пятый масштабирующий блок - с первым своим ВХОДОМ и через инвертор - с вторым входом блока умножения и входом блока дифференгщtC рования концентрации биомассы, выход N(iik которого через третий масштабирующий блок подключен к входу интегратора 00 4 концентрации субстрата, вь1ход которого соединен с первым входом суммато00 ра, вторым ВХОДОМ второго сумматора линейного отклонения, первым входом квадратора и через инвертор - с входом делителя блока деления и вторым ВХОДОМ квадратора, выход которого через четвертый масштабирующий блок .подключен к второму входу сумматора, :ВЫХОД которого соединен с входом делимого блокаделения,ВЫХОД которого через шестой масштабирукмций блок подключен к третьему входу блока умножения, выход блока задания значения полунасыщенйя соединен с третьим входом cyMf iaTopa.