Система управления процессом культивирования микроорганизмов Советский патент 1987 года по МПК C12Q3/00 

нения связан с выходом блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, другой - с выходом устройства 7 ввода данных химического анализа, а выход блока 13 сравнения соединен с реле 1А времени, нормально замкнутые контакты которого соединяют через ключ 12 управления блок 11 формирования сигналов коррекции, управляемых параметров с блоком 3 сумматоров, а нормально разомкнутые контакты соединяют выход блока 15 импульсной подачи компонен- тов питания с блоком 3 сумматоров, а вход его соединен с блоком 2 датчи- :koB контролируемых параметров процесса ферментации, блоком 6 начальных утавок управляемых параметров, устройством 7 ввода данных химического анализа и реле 14 времени. При выходе значения остаточных концентраций компонентов за заданные верхние и

1

Изобретение относится к микробиологической промьшшенности и может найти применение на заводах белково- витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, свя- занных с культивированием микроорганизмов, и является усовершенствованием известной системы управления процессом культивирования микроорганизмов по авт.св. 1 635736.

Известна система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере, включающая пуль управления, блок датчиков контролируемых параметров, связанный с первым входом пульта управления, устройство ввода данных химического анализа, связанное со вторым входом пульта управления, блок начальных

.-

уставок управляемых параметров, блок исполнительных механизмов, блок суммирования, к одному входу которого подключен пульт управления, второй вход соединен с блоком начальных уставок управляемых параметров, а выход - с блоком исполнительных механизмов, блок сканирующих микроскопов, вычислитель морфологических принижние знпчения блок сравнения включает реле 1Д времени,нормально разомкнутый контакт которого замыкается на заданное время Т, и тогда сигнал коррекции с блока 11 формирования на это время Т перестает поступать на блок 3 сумматора. Реле 14 времени включает блок 15 импульсной подачи компонентов питания для подачи соответствующего компонента питания.

А. PR,

1§л. т

) V

где PR. - подача i-ro компонента питания до срабатывания блока сравнения;

и S. - текущее и заданное значе- Jo/,

ния концентрации 1-го компонента питания; V - объем аппарата, 1 ил.

знаков, блок памяти, блок формирования сигналов коррекции, при этом к входам блока памяти подключен блок датчиков контролируемых параметров, устройство ввода данных химического анализа, пульт управления, вычислитель морфологических признаков, один из входов которого соединен с первым выходом блока памяти, второй вход через блок сканирующих микроскопов связан с ферментером, а второй выход - с пультом управления, второй выход блока памяти подсоединен к блоку формирования сигналов коррекции, входы которого соединены с блоком датчиков контролируемых параметров, вычислителем морфологических признаков, устройством ввода данных химического анализа, а выход блока формирования сигналов коррекции посредством ключа управления соединен с пультом управления и блоком суммирования.

Целью изобретения является уменьшение расходных коэффициентов и уменьшение загрязнения окружающей среды.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемой системы управления

процессом культивирования микроорганизмов ,

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации,блока 3 сумматоров, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления,блока 6 начальных уставок управляемых параметров, устройства 7 вво)а,а данных химического анализа, блока 8 скани- рующих микроскопов, вычислителя 9 отличительных морфологических и статистических признаков культуры микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков процесса фермента- ции и удовлетворительных решений на изменение управляемых параметров,блока 1 1 формирования сигналов коррекции управляемых параметров, ключа 12 управления, блока 13 сравнения, ре- ле 14 времени и блока 15 импульсной подачи компонентов питания. Секции ферментера 1 соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе

которых датчики оптической плотности 25 питания остаточная концентрация S(не показаны) соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя 9 соединен с выходом блока 10 памяти. В поеледнем записаны удовлетворительные решения на изменение управляемых параметров, а также отличительные морфологические и статистические признаки культуры микроорганизмов, на основании которых ранее были приняты удовлетворительные решения,улучшившие экономические показатели процесса ферментации (.количество и качество продукта)Гв блок 10 памяти поступают также данные с блока датчиков контролируемых параметров процесса ферментации и с блока 7 ввода данных химического анализа. Выход блока 10 соединен с входом блока 11 сигналов коррекции, на вход которого поступают данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9.

Для определения момента выхода остаточной концентрации i-ro компонен- 50 ний подачи в ферментер 1 компонента питания за регламентные значения один из входов блока 13 сравнения связан с выходом блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации,другой - с выходом устройства 7 ввода данных химического анализа, а для запуска в этот момент времени реле 14 выход блока 13 сравнения соединен с реле 14 времени.

нормально замкнутые контакты которого обеспечивают прохождение- оптимальных сигналов коррекции до наступления этого момента времени, для чего они соединяют через ключ 12 управления блок 11 формирования сигналов коррекции управляемых параметров с блоком 3 сумматоров, после срабатывания реле 14 времени нормально разомкнутые конт акты соединяют выход блока 15 импульсной подачи компонентов питания с блоком 3 сумматоров, т.е. на ферментер поступает резкое (импульсное) изменение (уменьшение) i-ro компонента питания, а выход блока 15 импульсной подачи компонентов питания соединен с блоком 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блоком 6 начальных уставок управляемых параметров, устройством 7 ввода данных химического анализа и реле 14 времени.

Таким образом, за счет импульсйо- го изменения подачи i-ro компонента

которого в аппарате вышла за регламентные значения,эта концентрация за время Т действия импульса (с расчетной амплитудой А) принимает заданное значение f,Система работает следующим образом.

Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12

устанавливают в нейтральное положение. На пульт 5 управления и в блок 10 памяти поступают данные с блока 2 датчиков контролируемых физико- химических параметров, с вычислителя 9 отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7. По этим данным с пульта 5 управления принимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемьгх контролируемых параметров, задаваемых блоком 6.

Значения величины и знака измене5

тов, регулирующих эти параметры,поступают с пульта 5 управления в блок 10 памяти, где они записываются на одну страницу рядом с данными блоков- 2, 7 и вычислителя 9, для которых принято решение на изменение параметров. Если решение положительное, то эта страница с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9 соответствующим

решением на изменение величины и знака компонента остается в блоке 10 памяти.Если решение отрицательное в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из памяти. На этой же странице записывается, во сколько раз увеличивается экономический показа- тель.

С заданным дискретом по времени описанный цикл повторяется, и из на бранных страниц для данного типа сырья, например парафина, в блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения величины на изменение компонент и получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти.

При обучений нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от норм, а требуется обрабатывать реально текущие процессы. После окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени (недели.

страница стирается и для данного показателя записьтаются новые данные и решения по ним.

В качестве существенно-информаци- 5 онных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 Памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются показания датчиков контролируе10 мъгх параметров по всей технологической линии процесса ферментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры мик- роорганизмов (самих микроорганизмов,

15 включений в них и в среде) из различ ных секций ферментера 1 и из необхо- димых точек технологической линии процесса ферментации.

Морфологические параметры вклю20 чают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т.д., причем в качестве признаков принимаются статические характеристики этих парамесяцы) производится математическая 25 , статистические характеристиобработка полученных результатов (выбор метрики, весовых коэффициентов и т.д.), а затем ключ 12 ставится в такое положение, при котором система работает в режиме советчика (по- 30 луавтомата) следующим образом.

Текущие данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9 (т.е. существенно-информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигна- 35 лов, где они сравниваются по одному из алгоритмов распознавания образов с данными, записанными на страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями. Блок 11 выбирает из блока 40 10 памяти данные той страницы книги для заданного типа сырья, которые ближе всего к данным текущего процесса, и с этой страницы берется записанное ранее положительное решение 45 на изменение корректирующих значений изменений регулирующих параметров.

В этом случае, если в режиме советчика система работает удовлетворительно, то ключ 12 ставится в поло-- 50 жение, при котором система переводится в автоматический режим работы,причем удовлетворительной считается такая работа системы, когда при выполнении ее команд (советов) экономи-55 ческий показатель не ниже того,, который записан на странице памяти.Если он оказывается Bbiuiej то прежняя

ки культуры микроорганизмов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа,

данные химического анализа с. устройства 7. Система управления процессом ферментации приходит в равнове сие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного (оптимального), I .

Если значения остаточных концентраций компонентов питания, измеряемых блоком 2 и устройством 7, выходят за заданные верхние и нижние , значения (например, парафин S 0, 4 0,8 кг/к азот N 0,2 - 0,4 кг/м , фосфор PjOf 0,15 - 0,25 кг/м), то блок 13 сравнения включает реле 14 времени, нормально замкнутый контакт которого размыкается, а нормально разомкнутый контакт замыкается на заданное время Т. Тогда сигнал коррекции с блока 11 формирования на время Т перестает поступать на блок 3 сумматоров. Реле 14 времени включает блок 15 импульсной подачи компонентов питания для подачи соответствующего компонента питания

PR(S ; - S;

.4..

) V

где PR; - подача 1-го компонента питания до срабатывания срав

страница стирается и для данного показателя записьтаются новые данные и решения по ним.

В качестве существенно-информаци- онных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 Памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются показания датчиков контролируемъгх параметров по всей технологической линии процесса ферментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры мик- роорганизмов (самих микроорганизмов,

включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из необхо- , димых точек технологической линии процесса ферментации.

Морфологические параметры включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т.д., причем в качестве признаков принимаются статические характеристики этих параки культуры микроорганизмов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа,

данные химического анализа с. устройства 7. Система управления процессом ферментации приходит в равнове сие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного (оптимального), I .

Если значения остаточных концентраций компонентов питания, измеряемых блоком 2 и устройством 7, выходят за заданные верхние и нижние , значения (например, парафин S 0, 4 0,8 кг/к азот N 0,2 - 0,4 кг/м , фосфор PjOf 0,15 - 0,25 кг/м), то блок 13 сравнения включает реле 14 времени, нормально замкнутый контакт которого размыкается, а нормально разомкнутый контакт замыкается на заданное время Т. Тогда сигнал коррекции с блока 11 формирования на время Т перестает поступать на блок 3 сумматоров. Реле 14 времени включает блок 15 импульсной подачи компонентов питания для подачи соответствующего компонента питания

PR(S ; - S;

.4..

) V

где PR; - подача 1-го компонента питания до срабатывания сравicKA

s, V

7

нения;

заданное (с блока 6) значение i-ro компонента питания;

текущее значение концентрации i-ro компонента питания; объем аппарата.

С вычислителя амплитуды импуль- са сигнал подачи i-ro компонента питания поступает на блок 3. В результате такого воздействия остаточная концентрация i-x компонентов питания через время Т придет к заданно-

му значению R1 Э«А

Такое быстрое вос

становление заданной концентрации дает снижение расходного коэффициента и уменьшение загрязнения стоков. Время Т определяется гидродинами- ческими характеристиками аппарата, т.е. это то время, за которое концентрация i-ro компонента питания в аппарате примет новое значение после импульсного изменения (уменьшения) подачи этого компонента на входе. Через время Т реле времени опять подключает блок формирования сигналов коррекции по 1-му компоненту питания к блоку 3 сумматоров, т.е. продолжа- ется оптимальное управление процессом культивирования микроорганизмов.

Таким образом, использйвание системы управления процессом культивирования микроорганизмов сдополнитель- 35 ле времени.

Редактор И.Рыбченко

Составитель Г.Богачева

Техред И.Попович Корректор Л.Патай

2612/22

Тираж 499Подписное

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

1320225, 8

но введенными блоками сравнения, реле времени и импульсной подачи компонентов питания приводит к уменьшению расходных коэффициентов на 3,0% по пара- 5 фину, на 15% по азоту, на 24% по фосфору и снижению загрязнения стоков на 3%.

Формула изобретения

Система управления процессом культивирования микроорганизмов по авт. св. № 635736, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения расходных коэффициентов и загрязнения окружающей среды, она дополнительно снабжена реле времени, блоком импульсной подачи компонентов питания и блоком сравнения, один из входов последнего связан с выходом блока датчиков контролируемых параметров, процесса ферментации, другой - с выходом устройства ввода данных химического анализа, а выход - с реле времени, нормально замкнутые контакты которой соединены с ключом управления, а нормально разомкнутые контакты - с выходом блока импульсной подачи компонентов питания, причем входы последнего подключены к блоку датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, устройству ввода данных химического анализа, блокз начальных уставок управляемых параметров и ре