Способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов Советский патент 1986 года по МПК G05D27/00 C12Q3/00 

Изобретение относится к микробиологии и касается техники автоматического управления ироцессом кулыиЕ ировання микроорганизмов.

Це. 1ь изобретсиия - увеличение Biii- хода ие.тевого нродх кта.

На (хиг. 1 H3o6|ia/Keiia б, :ок-схсма ус / - юйства. рсализук)И1ег( нредлагаем1 1Й сио- еоб автоматического иравле1П1я ироиессом к у . I ь т и в 11 р о в а н и я м икр оо р а н и з м о к;на

фиг . 2 и 3 - структ рные схемы уирав.тения и блока выбора коэф()ициент(Л5 у|||)авлеиия,соответственно; на фиг. 4 и 5 блок-схемы алгоритмов работы этих блоков соответетвенно.

Устройство содержит ферментер 1, снабженный датчика.ми 2-5 соответственно чис- . la оборотов .мешалки . V, рН и рО.) среды, температуры, блоком 6 анализа бпохемп- лк)1ииесце1П1ии, блоком 7 ана.тиза общего Ktxi.iiMCCTBa к.теток культивируе.мых мнкроор аниз.мов, датчиками 8 и 9 концентрации кнс.торода и углекислого газа в выходном газовом потоке и датчико.м 10 вязкостн среды, а также исполнительными механиз ма.ми 11 15, обеспечивающими соответст- iseHHo рег ;н1рование числа оборотов менчал- кн Л , р11, рОа и температуры среды и подачу питате.тьных субстратов в фер.ментер 1, причем датчики и испо, 1нительиые механизмы соединены с соответетвующимн входами выходами б. юка 16 управления, с другпми входами и В1 1ходами которого соединен блок 17 выбора коэффнцнеитов управления.

Способ ()сун1еств. 1Я1от еледующим образом.

С датчиков 2-5, 8-10 и блоков 6 и 7 анализа с заданным периодом в блок 16 управления ноступают текущие значения числа оборотов мещалки Л. рН, рОа, температуры (t°C), среды в ферментере 1, концентрации живых микроорганизмов, общего количества клеток культивируемых микроорганизмов, концентрации кислорода и углекислого газа в выходном газовом потоке и вязкости культуральной жидкости в ферментере 1. В блоке 16 управления происходит аналого-цифровое преобразование иостуна1ОН1их сигналов н вычис;|енне скорости их изменения с пос.чедуюнхн.м срав- пиваиие.м но.лученных кодов с соответствую- щи ми цифровыми установками, задаваемыми но мате.матической .моде.ш процесса па каждую фазу ку.тьтивирования .микрооргаиизмов. Одновременно полученные текунлие коды из- MepeiHihix параметров и скоростей их изменения поступают в блок 17 выбора козффи- цие1ггов управления. В блоке 16. онредя- ется величпиа рассогласования Д/ .между устан(.)вка.мн и текущими цифровыми значениями соответствующих параметров. Г1)и этом иод / нони.мается помер контура регу- ;|ир()вания: .V 1, рН 2, pOv 3, t°C 4, подачн иитате.тьнсл о субстрата 5, а иод / -- текущий иомер времеппой выборки аналого

5

5

Р

0

0 5 j

0

5

0

цифрового нреобразования. По. 1ученн1 1е величины рассо1масования д , н.чи код|)1 оп1И- бок затем в блоке 16 11нтегри|1уются и диф- фе)енцируются для обеспечения пропорционально - и н т е г р а л ы I о - д и (J5 ()} е 5 е и ц и а .1 ь н о г о (ПИД) регуо 1ироваиия, обесиечива1он1его учет статической ои1ибки и времени заназ- Д1)вания с|)абат1)1вания датчиков 2 -5, й-- К) и нспо/1нпте.льных .мехапизмон I 15.

i 1о.1уч( результат Ы (. К/ ад.ываютси между собой с co(rri CтcтвyI(JlIUI п коуффп- циента.ми Ki, Кг,, Кз- которые задаются из блока 17. Bi)i6op К() :(р()иииенто15 ирав. 1е- ния в блоке 17 щлполпяется и:- чиб.-пии). сформированной заранее по результата.м установочного эксие|1имепта. При -JTOM вс .чи- чины коэффицие1ггов -п)ав. 1еппя зар.исят от характерпстнк фермс нтера, кспо.-щите.чь- Hijix механизмов и ({)а:;ы процесса ..у, 1ьтиви- рова1П1Я.

Такн.м образ 1.м, с учетом В1)1бранных ко- эффнциенто13 li б:1оке 16 (|)ормиру1отся ун- равляю цие воздействия по ка/кдому Koirrypy регу, 1ирован11Я па осиовании с.к-дуюпгпх из.мерепных и в1)1числе11Н1)1х пара.метров: д. 1я регулирования чис.та оборотов М1мна,лки .V ла основании текуп1их значений /V, pOv и вязкости среды, а также скорости изменения /V и вязкости среды; для регулирования рН на основании текущих значений рН. температуры среды, концентрации углекислого газа в выходном газовом потоке и скорости пз.менения рН; для регулирования рО-, на основании текуп1их значений рО, кои- центрации кислорода и углекислого газа в ныхо.дном 1 азово.м нсггоке вязкости и тем- иературы среды, а также скорости изменения для регулирования температуры на основании текупщх зиачеиий те.миерату- ры, вя. жости среды и скорости изменения те.мпературы; для регулирования подачи питательных субстратов на основании текущих значений живой и биомассы, рН и вязкости с)еды, а также скоростей изменения живой н обнк й 6Ho,acciji.

Затем в б. юке 16 происходит цпфро- анало1Ч)вое преобразование но.тученпых ко- ;;,ов унравляю1цих воздействий в ирслюр- циопа. аналоговые сигна.лы, которые поступают на с()ответствуюн1ие исно,1ните.льные механизмы II 15.

Гаки.У об)азом, неемотря на нестационарный ха)актер процесса культивирования мпкроорган1:змов, предла|-аемый способ обеспечивает для веех коитуров регумиро- вания устойчивый режи.м без нереко.тебаний и ста1 ической он1ибки и позв(;ляет управлять процессом культивировапия, опираясь не только на нредпгествуюнхий оиыт, который учитывает ма 1е.млтическая .моде.и. п|)01К Сса. П(; и учнты|-;ая (.1(Ч)беннос ти )азвития тск - niero ку. П)Т1 ;1 ирова11ия, что достигается онеративнои адаптацией параметров контуров регулирования. При этом способ позволяет эффективно вести управление как периодическими, так и непрерывными процессами культивирования в ферментерах разной емкости 0,5-300 л и выше за счет автоматической адаптации параметров контуров регулирования с помощью выбора оптимальных коэффициентов управления.

В результате реализации предлагаемого способа при культивировании бактерий Brevibacterium llavum выход целевого продукта - изолейцина, увеличивается при каждом культивировании в среднем на 15,8% по сравнению с известным. При этом сокращается общее время культивирования па 1,7%, а расход питательных субстратов не увеличивается.

Влодь

К блоку 17С блока 17

N

Пуск

Пит. с у бет р.

фиг. г

Системная итна

Фиг.З

Пуск

Вкпючение канала измерения

Аналога - i uippoSoe преодразо бание

/

Сравнение кодов и вычисление ,45

L

Лефференцироёа - ние кода oiuu-dniut.

И time гриробание кода ошибки.

Выдача кода Sблок 17

Л-/

/

/

Умно/ ение на

/

Умно/кение на

J/

.Ж

Суммирование:К - &J I AJ + (&j -Aj,,)

Цифру - аналоговое преобразование

Г

Выдача, упраёллющего ёоздейстёил на i-d исполнительный механизм Фиг. 4

Ж

Прием кода АЦП по каналам 2- Ю

Вычисление скорости изменения параметров ка налое 2-10

Выбор нового по та5/7ице ff соответствии с ус/7овием:

K -J l/J /( Ц-J макс

Фиг. 5