Способ автоматического управления процессом аэробного многостадийного выращивания микроорганизмов Советский патент 1985 года по МПК G05D27/00 C12Q3/00 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам автоматического управления процессом непрерывного многостадийного выращивания микроорганизмов, предпочтительно кормовых дрожжей.

Известен способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, предусматривающий регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа с коррекцией по величине рассогласования текущего и предыдущего значений величцн экономического коэффициента использования субстрата 1.

Недостатком известного способа является то, что регулирование процесса проводят на основании медленно изменяющегося параметра процесса - экономического коэффициента, что не позволяет достаточно оперативно реагировать на изменения параметров процесса, а также то, что раздельное регулирование расходами питательного субстрата и воздуха по данному параметру не обеспечивает максимальной продуктивности процесса выращивания биомассы.

Целью изобретения является увеличение продуктивности процесса.

Указанная цель достигается тем, что при способе автоматического управления процессом аэробного многостадийного выращивания микроорганизмов, предусматривающем регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа, определяют скорость образования биомассы на каждой стадии, осуществляют регулирование соотнощения расходов аэрирующего газа и питательной среды в зависимости от скорости образования биомассы на каждой стадии и распределение по стадиям общего потока питательной среды осуществляют по формуле

fl

где }1-поток питательной среды на каждую

i-ю стадию;

Qi -общий поток среды; N -- число стадий выращивания; Rf - скорость образования биомассы на i-й стадии.

На чертеже приведена принципиальная схема реализации способа управления применительно к многосекционному колонному биореактору.

Объект управления - многостадийный процесс аэробного выращивания клеток, осуществляемый в N стадиях, куда поступают технологические потоки I-{ -аэрирующий газ, питательная среда и отводятся потоки суспензии микроорганизмов и отработанного газа.

Способ осуществляют следующим .образом.

.Непрерывно измеряют концентрации биомассы, субстрата и растворенного кислорода на каждой стадии процесса и по ним осуществляют расчет скорости образования биомассы на каждой стадии, например, в логическом блоке вычисления R. Затем производят сравнение полученных значений для каждой стадии и выбор минимальных Rj и максимальных значений скорости роста. Одновременно измеряют расход аэрирующего газа и общего потока. Пepвoнэ чально соотношения указанных потоков выбирают преимущественно в диапазоне 5-30 кг газа/кг жидкости, а величину потока на каждую стадию определяют по соотношению

Q i-(1)

где i изменяется от 2 до N.

В последующем при изменении концентраций микроорганизмов, субстрата и растворенного кислорода и соответственно скоростей роста на каждой стадии определяют

0 стадии с R и RJLiKc и в блоке выработки управляющих сигналов, корректируют величину потока на i-ю стадию Qi по зависимости

qi

а соотнощение расхода и общего потока среды висимости

9в- К

(3)

вб IRJ&TR UI

где к-коэффициент, зависящий от выращиваемого штамма микроорганизмов и субстрата (в частности, при выращивании дрожжей на «-парафинах К 2,98).

При этом отношение Qe/Q рекомендуется регулировать в диапазоне 5-30 кг/кг, поскольку величина отношения Qe/Qi менее 5 не обеспечивает требуемой аэрации среды, а при более 30 затраты энергии неоправданно возрастают.

Таким образом, используя предлагаемый способ, удается поддерживать продуктивность процесса на максимальном уровне. Предлагаемый способ может быть реализован при многостадийном выращивании микроорганизмов, например, в батарее последовательно соединенных аппаратов различной конструкцни или в многосекционном колонном биореакторе.

Колонный секционированный биореактор состоит из трех секций (стадий), на вход поступают технологические потоки I-IVаэрирующнй газ, поток, содержащий питательную среду и субстрат, и отводятся потоки суспензии микроорганизмов и отработанного газа, при этом циркуляционный поток V, содержащий питательную среду, субстрат и суспензию микроорганизмов, распределяется по секциям колонны.

Регулирование основных параметров культивирования (рН, температуры, даЬления), в аппарате осуществляется с помощью систем локального регулирования. Текущие значения концентрации биомассы в биореакторе 1 измеряют датчиками 2i(,3), субстрата - датчиками 3i(i l,3), растворенного кислорода - датчиками 4i (i l,3), затем сигналы от датчиков 2i-4i поступают в логический блок 5, где осуществляется расчет скорости образования биомассы Rf в каждой секции аппарата и проверяются значения концентрации растворенного кислорода на критическое значение и концентрации субстрата на выходе из последней секции на допустимое значение. Полученные значения скорости образования биомассы направляют в логический блок 6, где значения скорости образования биомассы по секциям сравнивают друг с другом для выбора секций с минимальной и максимальной скоростями образования биомассы, а также запоминаются максимальная и минимальная скорости образования биомассы. Номера секций и значения скоростей образования в них направляют в блок 7 выработки управляющих сигналов, в последнем происходит расчет величин потока в каждую секцию Qi по формуле (2), соотношения расхода аэрирующего газа и общего циркуляционного потока по формуле (3) с учетом сигналов, полученных от логических блоков 5 и 6 и показателей датчика 8 расхода общего циркуляционного потока и датчика 9 расхода аэрирующего газа. При этом, если поступает сигнал с логического блока 5 об уменьшении концентрации растворенного кислорода ниже критической, то в блоке 7 вырабатывается управляющий сигнал об увеличении расхода аэрирующего газа, а значение общего циркуляционного потока оставляют неизменным. Если поступает сигнал о превышении остаточной концентрации субстрата выще допустимого значения, то в блоке 7 управляющих сигналов вырабатывается сигнал об увеличении циркуляционного потока при неизменном расходе аэрирующего газа в соответствии с рассчитанным соотношением Qij/Q. Блок 7 выработки управляющих сигналов направляет на регуляторы 10i(i 2, 3) рассчитанные значения потока по секциям, на регулятор 11 - рассчитанное значение общего циркуляционного потока, на регулятор 12 - рассчитанное значение потока аэрирующего газа. Сигналы с регуляторовlOi поступают на исполнительные механизмы 13i, установленные на линии подачи потока по секциям, с регулятора 11 на исполнительный механизм 14 на линии общего потока, с регулятора 12 - на исполнительный механизм 15 на линии подачи аэрирующего газа.

Пример. В трехсекционном колонном био. реакторе осуществляют многостадийный Процесс выращивания аэробных микроорганизмов - дрожжей рода Candida Sake на углеводородном субстрате, н-парафине. Питательная среда содержит минеральные соли в концентрациях, г/л: КС1 0,6; MgSO4 0,66; 0,1; 0,3; ZnS04 f.7HiO 0,3; (NH4).iSO- (20%) 7,5 мл/л. Исходная концентрация парафина 30 г/л. Среднее время пребывания микроорганизмов в биореакторе 4 ч, температура среды в аппарате 32-34°С, РН среды 4,0-4,2. Начальное соотношение Qe/Q принимается равным 10 кг/кг, а значения Qj составляют Qa ,5Q по формуле (1). Датчиками 21, 3i и 41 по секциям колонного биореактора зафиксированы в ходе процесса следую5 Щие показания:

2i - концентрация биомассы -18,9 г/л; i 2-25,3 г/л; i 3-26,8 г/л; 31 - концентрация субстрата i 1-9,2 г/л; 1 2-3,6 г/л; ,5 г/л; 4i - концентрация растворенного кислорода 1 1-0,15 мг/л; 1 2-

0 3,6 мг/л; 1 3-4,2 мг/л.

Соответствующие значения скорости образования биомассы по секциям Rf составляют, г/л: 7Л; ,9; R3 0,3.

Учитывая, что в данный момент времени

5 (поступление сигналов с датчиков 2i, 31, 41) концентрация растворенного кислорода меньше критического значения (Crspw 0,2 мг/л), в блоке 7 вырабатывается сигнал увеличения расхода аэрирующего газа воздействием на регулятор 14 таким образом, что отно0 шение QB/Q достигает 30, При этом концентрация растворенного кислорода в первой секции увеличивается до 1,5 мг/л. В логическом устройстве 6 путем сравнения значения Rf определяют секции с минимальным значением (секция III) и максимальным значением R/iAKc (секция I) на данный момент времени. В блоке 7 определяют распределение потока среды по секциям, используя формулу (2):

Qs 0, Qj 0,864Q.

Указанные значения поступают в виде управляющих сигналов на регулятор 101 и исполнительные механизмы 131. Таким образом, осуществляется автоматическое управление общим расходом питательной среды, распределением потока по секциям - стадиям процесса и регулирование соотношения расходов воздуха и среды в колонном биореакторе. Применение предложенного

способа управления позволяет получить среднюю продуктивность процесса выращивания биомассы 5,4 кг/м -ч, что на 9/о выше средней продуктивности в контрольном опыте.

Таким образом, использование предлагаемого способа автоматического управления процессом позволяет увеличить продук тивность непрерывного многостадийного процесса и обеспечивает возможность непре511492306

рывного вычисления и определение опти-деление общего потока питательной среды

мальных управляющих воздействий, регу-по стадиям, что обеспечивает поддержание

лирование соотношения потоков аэрирую-максимальной продуктивности автоматищего воздуха и питательной среды и распре-чески.

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ АЭРОБНОГО МНОГОСТАДИЙНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматривающий регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа, обOfTJpaS личающийся тем, что, с целью увеличения продуктивности процесса, определяют скорость образования биомассы на каждой стадии, осуществляют регулирование соотнощения расходов аэрирующего газа и питательной среды в зависимости от скорости образования биомассы на каждой стадии и распределение по стадиям общего потока питательной среды осуществляют по формуQx -||3r-R где