Способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов Советский патент 1987 года по МПК G05D27/00 

112

Изобретение относится к автоматическому управлению процессами выращивания микроорганизмов и может быть использовано в производстве микробиологической, пищевой и медицинской промышленности.

Целью изобретения является повышение точности поддержания оптимальной температуры в биореакторе.

Сущность способа заключается в том, что подачу хладагента осуществляют при достижении скорости изменения теплового потока в процессе выращивания микроорганизмов порогового значения d©/dT O,1 в сравнении со среднестатистическим стандартным графиком кинетики теплового потока из биореактора, при этом коррекцию подачи хладагента осуществляют в соответствии с величинами фактичес кого значения теплового потока и мор фологического и физиологического состояния выращиваемьк клеток микроорганизмов .

На фиг. 1 приведена система, реализующая предлагаемьй способ, на фиг, 2 и 3 - кривые кинетики тепловыделений при культивировании микроор

,

В начальный период развития культуры (например Bacillus thuringien- sis var. galleriae, выращиваемой при

ганизмов; на фиг. 4 и 5 - кривые, от-30 , Bacillus licheniformis, выращи- ражающие состояние культуры в процессе роста и развития.

Система состоит из аппарата для выращивания микроорганизмов - биореактора 1,датчика 2 теплового интегрального потока,блока 3, определяющего величину тепловьщеления в биореакторе 1, блока 4 дифференциро35

ваемой при ) происходит адаптация микроорганизмов, при этом величина тепловыделений в биореакторе 1 в этот период постоянна и определяет- jCH расчетным путем. Экспериментально установлено, что в период адаптации микроорганизмов скорость изменения теплового потока в биореакторе d0 dr имеет значительный разброс во времевания, определяющего фактическую скорость изменения теплового потока в процессе выращивания микроорганизмов

d0 , .

-т;- факт., порогового элемента 5,

сравнивающего фактическое (текущее) значение скорости изменения теплово- d©

го потока de

dT

факт, с заданньпу значением -г;; задан, и вырабатывающего

(Q

сигнал при достижении -тгс факт. 0,1,

программного блока 6, в пАмяти которого находится среднестатистическая зависимость тепловьщелений в процессе выращивания микроорганизмов от

времени - блок 6 вырабатывает сигнал 55ветствует величине тепловыделения в

в строгом соответствии среднестатис-биореакторе 1 в период адаптации

тической кривой кинетики тепловьщеле-культуры.

ний| блока 7 выработки управляющих После периода адаптации происховоздействий, на который подают сиг-дит увеличение количества вегетатив0

5

5

0

нал, пропорциональный величине теп- ловыделения в биореакторе 1 с моменdSi „ ,

та достижения - г-0,1; переключающего реле 8, предназначенного для передачи сигнала, пропорционального величине тепловьщелений в биореакторе 1 , с момента времени достижения скорости изменения теплового потока

d0

0,1;- датчика 9 определения количества микроорганизмов и их структурных характеристик, блока 10 анализа структурных характеристик микроорганизмов, определяющего количество активных клеток, их морфологическое и физиологическое состояние, регулятора 11 подачи хладагента. Связанного с исполнительным механизмом 12, установленным на линии подачи хладагента.

Способ автоматического управления периодическим процессом выращивания микроорганизмов осуществляют следующим образом.

В начальный период развития культуры (например Bacillus thuringien- sis var. galleriae, выращиваемой при

, Bacillus licheniformis, выращи-

, Bacillus licheniformis, выращи-

ваемой при ) происходит адаптация микроорганизмов, при этом величина тепловыделений в биореакторе 1 в этот период постоянна и определяет- jCH расчетным путем. Экспериментально установлено, что в период адаптации микроорганизмов скорость изменения теплового потока в биореакторе d0 dr имеет значительный разброс во времеiO,1. Период адаптации культуры

го материала, с составом питательной среды, объемом загрузки биореактора. Поэтому начало изменений тепловьщелений, связанных с развитием культуры во времени, колеблется в пределах 5- 8 ч. В фазе адаптации микроорганизмов блок 7 выработки управляющих воздействий вьщает сигнал на регулятор 11, соответствующий постоянной величине тепловьщеления в биореакторе 1, при этом подача хладагента через исполнительный механизм 12 соот

31

ных клеток и изменение структурных характеристик микроорганизмов, что приводит к изменению потребления культурой кислорода, повышению концентрации выделяющегося гфи дыхании микроорганизмов углекислого газа и, соответственно, к увеличению тепловыделений в биореакторе 1.

Экспериментальные данные показывают, что зависимость выделяемого микроорганизмами тепла от времени их культивирования (кинетика тепловыделений) носит экспоненциальный характер и находится в строгой зависимости от структурных характеристик, морфологического, физиологического состояния культуры в данньш момент ее роста и развития.

Величина тепловыделений в процессе выращивания микроорганизмов через датчик 2 интегрального теплового потока регистрируется блоком 3, с выхода которого сигнал поступает на блок 4 дифференцирования, где определяется фактическая скорость изменения

d9 ,

теплового потока .с Факт, в биоре- di

акторе 1 о С блока 4 сигнал, пропор- факт., поступает на

„ d0

циональныи -. cli

пороговый элемент 5, где сравнивается фактическое значение скорости

d9 изменения теплового потока , факт,

1 с заданным значением и вырабатывается сигнал

в биореакторе

de

dT

задан.

d0

при достижении -;- факт.

Q t

0,1.

с момента достижения скорости изменения теплового потока-т: факт. . 0,1

с выхода блока 5 поступает разрешающий сигнал на блок 6. С выхода блока

определенное блоком 10 анализа состояния структурных характеристик ми роорганизмов количества активных кл ток меньше (больше), чем то, которое определено кривой кинетики тепловыделений, происходит дополнительная корректировка положения точки регу-

6 на вход блока 7 управляющих воздай-« лирования влево (вправо) по кривой

ствий поступает сигнал, пропорциональный величине тепловьщелений в биореакторе 1, в соответствии со среднестатистической кривой кинетики тепловьщелений в процессе вьфащивания50 микроорганизмов (фиг. 2 и 5), установленной экспериментальным путем. Одновременно через переключающее реле 8 выхода блока 3 определения велидо значения, определенного блоком 10

На фиг. 2 и 3 представлены кривые кинетики тепловьщелений при кул тивировании микроорганизмов Bacillu thuringiensis var. galleriae - продуцента средства защиты растений эн тобактерина и Bacillus lichenifor- mis - продуцента антибиотика бацит- рицина, по которым осуществл5пот ре-

чины тепловьщелений поступает в блок 55 гулирование подачи хладагента. На

7 выработки управляющих воздействий корректирующий сигнал, пропорциональный интегральному количеству тепловьщелений в биореакторе 1. С выхода

o

5

0

5

0

5

0

блока 7 на рег-улятор 1 1 поступает сигнал строго в соответствии со среднестатистической кривой кинетики тепловьщелений культивируемых в биореакторе 1 микроорганизмов, с коррекцией по фактическому значению величины тепловьщелений, регистрируемых датчиком 2. Исполнительный механизм 12 управляет подачей хладагента по сигналам регулятора 11.

Таким образом, регулирование подачи хладагента происходит по кривой тепловьщелений (фиг. 2-5),которая определяет закономерность изменения тепловьщелений во времени в процессе роста и развития микроорганизмов.Однако в зависимости от отклонений в составе питательной среды от качества посевного материа::а могут возникнуть отклонения в росте и ри.зви- тии активных клеток от среднестатистических зависимостей. В этом случае из блока 10 анализа состояния структурных характеристик микроорганизмов через датчик 9 поступает сигнал, пропорциональный фактическому значению количества активных клеток и их структурному состоянию, а в программном блоке 6 сравнивается с соответствующим значением по среднестатистической кривой структурных характеристик микроорганизмов и уточняется местонахождение точки регулирования по кривой кинетики тепловьщелений в соответствии с действительным значени( ем количества активных клеток и их структурных характеристик. Так, если

определенное блоком 10 анализа состояния структурных характеристик микроорганизмов количества активных клеток меньше (больше), чем то, которое определено кривой кинетики тепловыделений, происходит дополнительная корректировка положения точки регу-

лирования влево (вправо) по кривой

до значения, определенного блоком 10.

На фиг. 2 и 3 представлены кривые кинетики тепловьщелений при культивировании микроорганизмов Bacillus thuringiensis var. galleriae - продуцента средства защиты растений эн- тобактерина и Bacillus lichenifor- mis - продуцента антибиотика бацит- рицина, по которым осуществл5пот ре-

фиг. 4 и 5 отражено состояние культуры в процессе роста и развития, обуславливающее ее структурные характеристики (вегетативные клетки.

51288660

ованные клетки, полное высыспор), а также все тепло, выое и поглощаемое при выращимикроорганизмов.

ти ту та ро пр по от ст во вл со ко то

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, предусматривающий поддержание оптимальной температуры в биореакторе путем изменения подачи хладагента, отличающийся тем, что, с целью повышения точнос

ти поддержания оптимальной температуры в биореакторе, подачу хладагента осуществляют при достижении скорости изменения теплового потока в процессе выращивания микроорганизмов порогового значения dO/dT, 0,1 в соответствии со среднестатистическим стандартным графиком кинетики теплового потока биореактора и осзга1ест- вляют коррекцию подачи хладагента в соответствии с величинами фактического значения теплового потоке и морфологического и физиологического состояния выращиваемых микроорганизмов.

Изобретение относится к автоматическому управлению процессами выращивания микроорганизмов и направлено на повьшение точности поддержания оптимальной температуры в биореакторе. В результате развития микроорганизмов в биореакторе 1 увеличивается тепловыделение, измеряемое датчиком 2 интегрального теплового потока. В результате сравнения изме- ,ренного фактического значения скорости изменения теплового потока с пороговым (0,1) значением схема автоматики вырабатывает корректирующий сигнал, пропорциональный интегральному количеству тепловыделений в биореакторе. Регулятор 11 подачи хладагента осуществляет коррекцию подачи хладагента в соответствии с данным си:- налом и учетом морфологического и ,-, физиологического состояния вьфащива- емых микроорганизмов, устанавливаемого датчиком 9 количества и структуры микроорганизмов. 5 ил. (Л ю 00 00 Ci О5

138

II Ш

It |f

ll I

ц-,

.час

О в fz 18 го 24 ze зг

Время роста Ky/fi mt/p6i Вас thurLng.Mar.gatiert,ae(3MmoSanmepun}

Фи&.2

KpuSaff кичетики

тепло6ь1де/1ен1ц} при культабирооании

ц-,

.час

зг

а (кол час

Ч в /2 i6 го 24 2В 32 36 Время роста кдлотурь Вас. Uchenifor-mL з($ацитрацин)

Фиг.У

Крибад кинетики тепло далений ну ьтиВаровании

Т ч ас

%0 4-cfOif}

-- /--e/Daj- i/x-(fo ff Составитель Л.Кудрявцева Редактор А.Шандор Техред Н.Глутденко Корректор А. Зимоково

Заказ 7807/А6 Тираж 885Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4