Система автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов Советский патент 1987 года по МПК C12Q3/00 

соединенными интегратором 27, блоком 29 деления, экстремальным регулятором 30, блоком 31 формирования амплитуды колебаний и блоком 32 умножения. Другой вход последнего через блок переключений 33 связан с датчиком 25 остаточной концентрации субстрата, а выход блока умножения через сумма- гор 34 связан с регулятораш 3 и 7 подачи питательных солей и питательного субстрата на ферментер. При этом выходы блоков 26 и 28 определения текущей скорости роста микроорга1

1зобретение относится к системам автоматического управления процессами непрерывного выращивания микроорганизмов и может найти применение в микробиологической промышленности.

Цель изобретения - повышение выхода биомассы при одновременном рацио- нальном использовании питателышх веществ.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При непрерывном выращивании микроорганизмов циклический режим подачи питательного субстрата, т.е. импульсное изменегше его концентрации в среде, обеспечивает более эффективное ведение процесса, повьшает выход биомассы (экономический коэффициент). Между параметрами циклических колебаний концентрации субстрата в среде и скоростью роста биомассы существует экстремальная функциональная зависимость. Из-за нестационарности и продолжительности процесса культивирования невозможно заранее установить параметры колебаний концентрации субстрата, которые обеспечивали бы максимальную скорость роста микроорганизмов. Поэтому целесообразно осуществлять поиск этих параметров по ходу процесса.

Система в реальном масштабе времени ведет поиск экстремума скорости роста путем управления амплитудой принудительных циклических колебаний концентрации субстрата среды. Амплитуда колебаний подстраивается так.

низмов и синхронизации подключены к входам интегратора, а. выход задатчи- ка 35 концентрации питательного субстрата соединен с сумматором. Включение в систему технических средств, которые обеспечивают циклический режим подачи питательных веществ, осуществляя поиск экстремальной скорости роста по ходу процесса, учитывая ограничения остаточной к онцентра- ции субстрата на выходе из ферментера, позволяет повысить выход биомассы и экономичность процесса 1 ил.

чтобы обеспечить максимальную скорость роста при данных условиях культивирования .

Скорость роста микроорганизмов 5 определяетсА по расходу аммиачной воды, учитывая кислотность подаваемого субстрата

f Qae- l z PHncQnc-pHKcQKc). 10(1)

где Д(.х - скорость роста;

- расход аммиачной воды; QPJ, - расход питательного суб- gстрата;

Q . - расход отводимой культуральной среды; рН - кислотность питательного

субстрата; 20 tec кислотность культуральной среды;

k, kj - коэффициенты пропорциональности.

25 Период переключений амплитуды ко- лебаний определяется по сигналу датчика остаточной концентрации, учитывая ограничения на концентрацию питательного субстрата в отводимой из

30 ферментера культуральной среде coi- ласно регламенту технологии (нижний предел остаточной концентрации контролируется для предохранения процесса от глубокого лимита по субстрату,

35 при котором резко падает скорость роста, а верхний предел - .для рационального использования питательных

веществ, он также регламентируется санитарны и нормами).

На чертеже изображена блок-схема системы автоматического управления циклическим процессом непрерывного вьфащивания микроорганизмов.

Система содержит ферментер 1 с линиями подачи питательных солей, аммиака, субстрата, воды, воздуха, охлаждающей воды и линий отбора среды, а также контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, уровня в ферменте, температуры среды растворенного кислорода, рН среды и отбора среды из ферментера .

Контур регулирования подачи субстрата включает датчик 2 расхода на линии подачи субстрата, регулятор 3 и исполнительный механизм 4 на линии подачи.субстрата, при зтом измеряют датчиком 5 кислотность подаваемого субстрата.

Контур регулирования подачи питательных солей включает датчик 6 расхода на линии подачи питательных солей, регулятор 7, исполнительный механизм 8 на линии подачи питательных солей.

Контур регулирования уровня в фер ментере включает датчик 9 уровня среды в ферментере, регулятор 10 и исполнительный механизм 11 на линии подачи воды на разбавление.

Контур регулирования температуры культуральной среды включает датчик 12 температуры среды в ферментере, регулятор 13 и исполнительный механизм 14 на линии подачи охлаждающей воды.

Контур регулирования растворенног кислорода среды включает датчик 15 растворенного кислорода в ферментере регулятор 16 и исполнительный механизм 17 на линии подачи воздуха.

Контур регулирования рН включает датчик 18 рН среды в ферментере, регулятор 19 и исполнительный механизм 20 на линии подачи аммиачной воды, при этом датчиком 21 измеряют расход аммиачной воды.

Контур регулирования отбора среды включает датчик 22 расхода на линии

отбора среды, регулятор 23 и исполнительный механизм 24 на линии отбора среды, а также датчиком 25 измеряют концентрацию остаточного субстрата в отводимой среде.

5

0

5

0

Кроме того, система автоматического управления содержит блок 26 определения текущей скорости роста микроорганизмов, входы которого связаны с датчиком 21 расхода аммиачной воды, с датчиками 18 и 5 кислотности рИ среды и подаваемого субстрата, с датчиками 2 и 22 расхода субстрата и отводимой среды, а выход - с интегратором 27, другой вход которого соединен с блоком 28 синхронизации. Выход интегратора 27 через блок 29 деления подключен к экстремальному регулятору 30, а выход последнего через блок 31 формирования амплитуды колебаний связан с блоком 32 умножения, другой вход которого через блок 33 переключений соединен с датчиком 25 концентрации остаточного субстрата. При этом выход блока 32 умножения и выход задатчика 34 концентрации питательного субстрата подключен к сумматору 35, выход которого соединен с входами регуляторов 3 и 7 подачи субстрата и питательных солей на- ферментер.

Система работает следующим образом.

Сигнал, пропорциональный текущей скорости роста микроорганизмов, формируется в блоке 26 согласно уравнению () по сигналам от датчиков 18, 5, 21, 2 и 22 кислотности рН культу2 ральной среды и субстрата, расходов аммиачной воды, подаваемого субстрата и отводимой среды. С выхода блока 26 сигнал поступает на интегратор 27, в котором происходит суммирование мо0 ментных значений скорости роста микроорганизмов за определенный период, времени. Время интегрирования зависит от инерционности процесса (например, изменение амплитуды колебаний вызыва5 ет переходный процесс, после завершения которого устанавливаются постоянные циклические колебания). Время интегрирования - это время переходного процесса.

0

Работой интегратора 27 управляет

блок 28 синхронизации, который задает период интегрирования, после окончания этого периода передает информа- 55 цию интегральной суммы на блок 29. деления и осуществляет сброс интегратора 27. В блоке 29 деления происходит деление входного сигнала интегральной суммы на длительность периода

интегрирования. Сигнал блока 29 деления, пропорциональный средней скорости роста, поступает на экстремальный регулятор 30, последний осуществляет поиск максимальной скорости роста путем управления амплитудой колебаний концентрации субстрата. Сигнал с выхода экстремального регулятора подается на блок 31 формирования амплитуды колебаний, откуда сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, поступает на блок 32 умножения.

В блоке умножения амплитуда колебаний умножается на одиночный положи,

тельный или отрицательный сигнал, ко

торый подается с блока 33 переключений, который функционирует следу 01цим образом.

На вход блока переключений поступает сигнал датчика 25 остаточной концентрации субстрата. Блок переключений также содержит информацию о допустимых пределах концентраций остаточного субстрата для данного процесса. Как только концентрация остаточного субстрата достигает нижний заданный предел, на выходе блока формируется положительный сигнал. И наоборот, при достижении верхнего предела, формируется отрицательный сигнал Таким образом, по сигналу датчика 25 остаточной концентрации, учитывая наложенные ограничения на концентрацию остаточного субстрата в отводимой среде, блок 33 переключений управляет знаком амплитуды колебанн й.

,

На выходе 32 блока умножения формируются прямоугольные импульсы, амплитудой которых управляет экстремаль-40 матором, а также задатчиком концентный регулятор, а периодом,- блок 33 переключений по сигналу датчика 25 остаточной концентрации субстрата. Импульсы выхода блока 32 умножения подаются на сумматор 35, где они складываются с постоянным сигналом задатчика 34 концентрации питательного субстрата и поступают на вход регулятора 3 подачи субстрата и на вход регулятора 7 подачи питательных солей как сигнал задания. Среднее значение концентрации субстрата в ферментере задается задатчиком 34 и соответствует оптимальному значению

рации питательного субстрата и блоками синхронизации и переключений, при этом последний связан с датчиком остаточной концентрации субстрата и

45 блоком умножения соединенным через сумматор с регуляторами подачи питательного субстрата и питательных солей на ферментер, при этом выходы блоков определения текущей скорости

50 роста микроорганизмов и синхронизации подключены к входам интегратора, а выход задатчика концентрации питательного субстрата соединен с сумматором. .

ВНИИПИ, Заказ 3433/29 Тираж 499 Подписное Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, А

концентрации субстрата в стационарных условиях культивирования. Контуры регулирования подачи субстрата и питательных солей на ферментер обес- 5 печивают принудительные колебания концентрации питательных веществ в ферменте.

Предлагаемая система позволяет повысить скорость роста микроорганиз- 0 мов на 8,8% по сравнению с известной системой при одинаковом расходовании питательных веществ и вести биотехнологический процесс так, чтобы обеспечить повышение производительности 15 микробиологического синтеза и эффективность использования питательных веществ.

Формула изобретения

Система автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, со

держащая датчики остаточной концент- рации субстрата, расхода аммиачной воды и кислотности питательного субстрата, блок определения текущей скорости роста микроорганизмов, контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, температуры среды, уровня в ферментере, рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, отлич ающая- с я тем, что, с целью повьшения вы- хода биомассы, она снабжена последовательно соединенными интегратором, блоком деления, экстремальным регулятором, блоком формирования амплитуды колебаний, блоком умножения и сумрации питательного субстрата и блоками синхронизации и переключений, при этом последний связан с датчиком остаточной концентрации субстрата и

45 блоком умножения соединенным через сумматор с регуляторами подачи питательного субстрата и питательных солей на ферментер, при этом выходы блоков определения текущей скорости

50 роста микроорганизмов и синхронизации подключены к входам интегратора, а выход задатчика концентрации питательного субстрата соединен с сумматором. .

Изобретение относится к управлению биотехнологическими процессами и может быть использовано на предприятиях микробиологической промьгашеннос- ти, например, при производстве кормовых дрожжей, ферментов, органических кислот. Целью изобретения является повышение выхода биомассы при одновременном рациональном использовании питательных веществ. Система содержащая датчики 25, 21 и 5 остаточной концентрации субстрата, расхода аммиачной воды и кислотности питательного субстрата, блок 26 определения текущей скорости роста микроорганизмов , контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, температуры среды, уровня в ферментере, - рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, дополнительно снабжена- последовательно вода боЗл Зля епамдгмий ю СХ) СлЭ « 00 СреЗа