Система автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов Советский патент 1988 года по МПК C12Q3/00 

t3

лельной коррекции соответстзенио, генератор 39 частоты, задатчнки 31 и 40, 36 и 41 нижнего и верхнего уровня концентра1Д1и питательных ве- щестз в среде и температуры культивирования, блоки 32J 37 проверки на ограничения и коммутаторы 33, 38 для осуществления циклических колебаний концентрации питательных веществ и температуры культивирования. При ,этом система в ре альнсм масштабе времени ведет поиск максимальной скорости роста микроорганизмов путем управле

ния параметрами циклических колебаний концентрации питательных веществ и температуры культивирования в ферментере. Поиск экстремума скорости роста ведется градиентиБтм методом. Система обеспечивает циклический режим подачи питательных веществ н синхроЯ ные колебания температуры культивирования что позволяет повысить скорость роста микроорганизмов при том же Jрасходования питательных ве - ществ и экономичность процесса . I ил.

Изобретение относится к управлению биотехнологическими процессами и может быть использовано на предприятиях микробиологической промышленности, использующих непрерывный технологический процесс микробиологического синтеза целевого продукта. Система содержит контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, уровня в ферментере, температуры и рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера. Кроме того, система содержит датчики 18 и 5, 21, 2 и 22 кислотности культуральной среды и субстрата, расходов аммиачной воды, подаваемого субстрата и отводимой среды соответственно, блок 25 определения текущей скорости роста, интегратор 26 и блок 27 деления для определения средней скорости роста микроорганизмов, также блоки 29, 35, 34 и 30 сравнения, переключения управления, последовательной и паралfff/l4 i (Л с ЛЛ Лиг /ff Cpfffa со со ГчЭ о со -

Изобретение относится к системам автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов и может Иайти применение в микробиологической промышленности

Цельк) изобретения является повышение вьгходсС биомассы,,

Cyts KocTb изобретения заключается; в следу5 Ж;ем.,

При H&npepbiiaM(jv вырат вании микроорганизмов циклический режмм пода чт nHTaTejzbHbix а&щгс-тв обеспечивает бояее эффеь.,тивное ведение процесса, noBbmiaeT Бьгход биомассы (экономический жоэффицкеат).

. Циклические колебания; температуры культуральной среды действуют как сишсре: шзируюш,ий фактор процесса, обеспечивают бсле.е эффективное ис пользс йакие питательных вещести по сравнению с стащлонарными условиями кул.ьтивирова. Из- за неста1щонар- кости и продолкитель.иосги гфоцесса культивирования невозможно заранее установить параметры колабан -1й ж он-- центрадизз субстрата и тампературы среды, котор : е обеспечивали бы максимальный выход биомассы Поэтоь з цепе сообразно осутдествлять поиск sTi-tx паргаметров по ходу процесса.

Система в реальном масштабе вре ,мени ведет поиск экстремума скорости роста Градиентным методом путем управления нижяда и веркмим уровнями, также периодом )1ринудительны5 циклм- че ских к б а iu-m кон цеитр ации суб ст рата и темпг:Ч)ятуры средьг. ГрадиентР пс

к,, к .J

0

0

ный метод поиска экстремума обеспечи вает эффективное движение к экстремуму скорости роста микроорганизмов

Скорость роста микроорганизмов определяется по расходу аммиачной воды, учитывая кислотность подавав- мого субстратаг

,,.i(,Q,, (О

где ji X - скорость роста |

расход аммиачной воды| расход питательного суб-™

страта;

Ctnf, расход отводимой культу ральной среды кислотность питательного субстрата;

коэ4)фициентьг пропорцно налыюсти,

На чертеже изображена блок скема предложенной системы управлйния,

Система содержит ферментер. 1 с ли- ниягти подачи питательньщ солей, анык акЕ, субстрата воды, воздуха, оклаят- дающей воды и линий отбора, средь, а также контуры регуларозания яодечи субстрата5 питательней солей уроэня Б ферментереJ температуры и рН среды, растворенного кислорода к отсоса ере дь из ферментера.

Контур регулирования подачи суб- CT tiara включает датчик 2, раскода на линии подачи субстрата, регулятор 3 я. исполнитель15ЫЙ механизм 4 на линии подачи субстрата яри этом датчиком 5 измеряют кислотность подаваемого субстрата ,,

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

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

Контур регулирования температуры культуральной среды содержит датчик 12 температуры среды в ферментере, регулятор 13 и исполнительный механизм 14 на линии подачи охлаждакяцей йоды.

Контур регулирования растворенного кислорода среды включает датчик 15 растворенного кислорода в фер-20 страта, питательных солей и темпераментере, регулятор 16 и исполнительный механизм 17 на линии подачи воздуха. . Контур регулирования рН включает датчик 18 рН среды в ферментере, ре- 25 форму прямоугольных импульсов, гулятор 19 и исполнительньй механизм Пределы колебаний задаются задат- 20 на .линии подачи аммиачной воды.

туры культивирования в ферментере 1 обеспечивают циклические колебания соответствующих параметров, так как сигналы регуляторов 3, 7, 13 -имеют

при этом датчиком 21 измеряют расход аммиачной воды.

чиками 31 и 40 нижнего и верхнего уровней концентрации питательного субстрата в среде, задатчиками 36 . Контур регулирования отбора среды ЗО и 41 нижнего и верхнего уровней тем- включает датчик 22 расхода на линии пературы культивирования, -и период - . отбора среды, регулятор 23 и исполни- задатчиком генератора 39 частоты, :тельный механизм 24 на линии отбора среды.

Кроме того, система содержит блок 25 определения текущей скорости роста микроорганизмов, входы которого - связаны с датчиком 21 расхода аммиачной воды, с датчиками .18 и 5 кислотности рН среды и подаваемого су&стра- до налы подаются на блоки 32 и 37 про- та, с датчиками 2 и 22 расхода субст- верки на ограничения, в случае йевы- рата и отводимой среды, а выход - че- полнения какого-то заданного ограниЗВ

Заданные значения этих параметров корректируются управляющгми сигналами блока 35 последовательной коррекции или блока 30 параллельной коррекции в зависимости от режима работы системы управления. С выходов, задатчиков нижнего и верхнего уровней сигрез интегратор 26 с блоком 27 деления, последовательнб соединенные

50

блок 28 запоминания, блок 29 сравне- няя коррекция не учитывается, После нйя, блок 30 параллельной коррекции задат чик 31 нижнего уровня, блок 32 проверки на ограничения и коммутатор 33f последовательно соединенные блок 34 переключения управления, блок 35 последовательной коррекции, задатчик 36 нижнего уровня, блок 37 проверки на ограничения и коммутатор 38, а также генератор 39 частоты и задатчи- кк 40 и 41 верхнего уровня При этом рыход блока 27 деления подключен к блоку 28 запоминания и блоку 29 сравнения (, входы блока 34 переключения управления соединены с блоком 29

55

проверки на заданные регламентные ограничения сигналы нижнего и верхнего уровней концентрации субстрата подаются на коммутатор 33, а сигналы нижнего и верхнего уровней температуры культивирования - на коммутатор 38. Работой коммутаторов управляет генератор 39 частоты, посредст- вом которого задается )иод циклических колебаний. Он также проверяет период колебани на заданные ограничения. Прямоугольные импульсы на выходе коммутатора 33 сигналом задания регулятору 3 подачи сУбсравнения и- блоком 35 последовательной коррекции, выход - с блоком 30 параллельной коррекции, выходы генератора 39 частоты соединены с интегратором 26 блоком 35 последователь- ной коррекгщи и коммутаторами 33 и 38, а выходы блока 30 параллельной коррекции и блока 35 последовательной

коррекции подключены к генератору 39 частоты и задатчикам 31, 40, 36 и 41 нижнего и верхнего уровней, причем вькоды задатчиков 40 и 41 верхнего уровня соединены с блоками 32 и 37

проверки на ограничения концентрации субстрата и температуры среды.

Система работает следующим образом.

Контуры регулирования подачи суб

форму прямоугольных импульсов, Пределы колебаний задаются задат-

туры культивирования в ферментере 1 обеспечивают циклические колебания соответствующих параметров, так как сигналы регуляторов 3, 7, 13 -имеют

чиками 31 и 40 нижнего и верхнего уровней концентрации питательного субстрата в среде, задатчиками 36 . и 41 нижнего и верхнего уровней тем- пературы культивирования, -и период - . задатчиком генератора 39 частоты,

налы подаются на блоки 32 и 37 про- верки на ограничения, в случае йевы- полнения какого-то заданного ограни

Заданные значения этих параметров корректируются управляющгми сигналами блока 35 последовательной коррекции или блока 30 параллельной коррекции в зависимости от режима работы системы управления. С выходов, задатчиков нижнего и верхнего уровней сиг чения соответствующий параметр сохраняет предыдущее значение, а послед-.

50

няя коррекция не учитывается, После

55

проверки на заданные регламентные ограничения сигналы нижнего и верхнего уровней концентрации субстрата подаются на коммутатор 33, а сигналы нижнего и верхнего уровней температуры культивирования - на коммутатор 38. Работой коммутаторов управляет генератор 39 частоты, посредст- вом которого задается )иод циклических колебаний. Он также проверяет период колебани на заданные ограничения. Прямоугольные импульсы на выходе коммутатора 33 сигналом задания регулятору 3 подачи сУбстрата и регулятору 7 подачи пита- :тельных солей, а импульсы на выходе I комт -5утатора 38 - сигналам задания регулятору 13 температуры регулирования среды в ферментере. , Период колебаний,, значения нажне - го и верхнего уровня концентра1 ии субстрата и температуры культивирования корректируются, осуществляя I поиск максимальной скорости роста I микроорганизмов, при за цанных ограничйниях управляемыэс параметров, Ско I рость роста определяется с помощью косвенных измерений.

Сигнал, пропорциона.льный текущей скорости роста микроорганизмов, фор- : мируется в блоке 25 согласно урав- нению (1) по сигналам от датчиков 18,, 5, 31,2 и 22 кислотности культураль- I ной среды и субстра 1 а, расходов ам-- 1 воды, подаваемого субстрата : И отводимой среды. С. выхода блока 25 сигнап поступает на интегратор 26, в Котором происходит суммирование : моментных значений скорости, роста микроорганизмов я а определенньй период времени. Время интегрирования зависит от инерционности процесса (время иг-1тегриро;5анля - время ; псреходиого процесса вызвйнного I измеиенкем какого-либо управляемого I параметра, по которым ведется поиск .максимаз: ыюй скорости роста) .

Работой янтегрз.тора 26 у1-:;равлякт генератор 39 частоты, который задает период интегрирования и после окончания этого периода передает инфор™ мащ1ю интегральной на блок 27

10

15

20

25

30

35

йерхнего уровней концентрации питательного субстрата нижнего и верхн го уровней температуры культивиров ния и периода колебаний. Для этого блок 34 переключения управления отключает блок 30 паргшлельной корре ции и включает блок 35 последовател ной коррекпяи,, KOTopbHi формирует си jian приращения последовательно дд1я каждой координаты управления. Посл вательно осуществляется HSMeHeHj e нижнего и верхнего уровней концент ции субстрата, нижнего и верхнего уровней температуры культивировани периода колебаний в блоке 29 срав ния среднее значение скорости рост сравнивается с его значением до из менения соотве-тствующего параметра а результат сравнения передается н блок 30 пар.а11Г1ельной KoppeKij iHj гд определяются составляющие градиент средней скорости роста для каждого параметра управления. После за верш ния очередного периода тестт-фовани с генератора 39 частоты на блок 35 последовательной коррекции подаетс сигнал для переюхючения коррекции на следующий параметр.

Таким o6pa3OMj, за пять периодов тестирования процесс переводится н новое состояние р но это нгoбxoд iмo ,цля определения направления градие средней скорости роста. После заве шения режима тестирования блок 35 п следовательной коррекции .фop fиpyeт управляющий сигнал блоку 34 переклю чения управления, которьм отключает

деления и осуществляет сброс интегра- -щ блок 35 последовательной корреклдки

тора 26, В блоке 27 деления проис:-со дит деление входного сигнала интегральной ка длич-«льность neipHO- да интегрированирг.

Сигнал блока 27 деления пропор цмональный средней скорости роста поступает на блок 23 запоникания v-i блок 29 с}завнениЯ( где он сравнивается с результатом предыд цего интегрирования. Значение средней скорости роста предыдущего пер1-1 эда интегрирования хранится н блоке 28 запоми - нания,

осуществления поиска .скорости роста гра/диентньм методом сначала необходимее определять состэ.влякндие градиента средней скорости роста микроорганизмов к изменению отдельных координат управ.1:ен) - нижнего и

55

и передает управление блоку 30 пара лельной коррекгщио Последний одновр менно формирует корректирудощие зоз действия дд1я всех пгра.ме Гров управления согласно следующему выражению .;; -1-1,2,3,4,5, . ( где 1. - корректирую1 ;ее воздейс вие

для :1-го .аараметра| ли I -- составляющая градиента сре ней скорости роста к гйзман Kt-jRi i-ro параметра уи.рлвг л8кияI

К. - параметр настройки, от кот pfjro зависит быстродействи н стабильность системы угфазлен1-1Я .

Параметры управления:

I - инлснж уровень концентрац субстратз;

5

0

5

0

5

йерхнего уровней концентрации питательного субстрата нижнего и верхнего уровней температуры культивирования и периода колебаний. Для этого блок 34 переключения управления отключает блок 30 паргшлельной коррекции и включает блок 35 последовательной коррекпяи,, KOTopbHi формирует сиг jian приращения последовательно дд1я каждой координаты управления. Последовательно осуществляется HSMeHeHj e нижнего и верхнего уровней концентрации субстрата, нижнего и верхнего уровней температуры культивированияj периода колебаний в блоке 29 сравнения среднее значение скорости роста сравнивается с его значением до изменения соотве-тствующего параметра, а результат сравнения передается на , блок 30 пар.а11Г1ельной KoppeKij iHj где определяются составляющие градиента средней скорости роста для каждого v параметра управления. После за верше- ния очередного периода тестт-фования с генератора 39 частоты на блок 35 последовательной коррекции подается сигнал для переюхючения коррекции на следующий параметр.

Таким o6pa3OMj, за пять периодов тестирования процесс переводится на новое состояние р но это нгoбxoд iмo ,цля определения направления градиента средней скорости роста. После завершения режима тестирования блок 35 последовательной коррекции .фop fиpyeт управляющий сигнал блоку 34 переклю- чения управления, которьм отключает

блок 35 последовательной корреклдки

5

и передает управление блоку 30 параллельной коррекгщио Последний одновременно формирует корректирудощие зоз действия дд1я всех пгра.ме Гров управления согласно следующему выражению} .;; -1-1,2,3,4,5, . (2) где 1. - корректирую1 ;ее воздейс вие

для :1-го .аараметра| ли I -- составляющая градиента средней скорости роста к гйзманэ- Kt-jRi i-ro параметра уи.рлвг : : л8кияI

К. - параметр настройки, от котс pfjro зависит быстродействие н стабильность системы угфазлен1-1Я .

Параметры управления:

I - инлснж уровень концентраци Н субстратз;

2- верхний уровень концентрации субстрата;

3- нижний уровень температуры

культивирования;

4- верхний уровень температуры

культивирования;

5- период колебаний. Параллельная коррекция параметров

циклических колебаний согласно гра- диенту средней скорости роста обеспечивает аффективное движение к экстремуму скорости роста микроорганизмов Через каждый шаг параллельной коррекции в блоке 29 сравнения сравни- вается значение средней скорости роста за последний период интегрирования с предыдущим. Если скорость роста увеличивается, направление градиента остается прежним. В противном случае блок 34 переключения управления передает управление блоку 35 последовательной коррекции (при этом блок 30 параллельной коррекции рт- клнетается). и система переходит на режим тестирования для определения .нового направления градиента средней скорости роста микроорганизмов, после чего продолжается поиск экстремума

Предлагаемая система позволяет I повысить скорость роста микроорганиз- мов на 2,7% по сравнению с известной при одинаковом расходовании питательных веществ и вести биотехнологический процесс таким образом, ,чтобы обеспечить повышение произ- 1водительности микробиологического синтеза и эффективность использования питательный веществ. Формула изобретения

Система автоматического управле- |ния циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая датчики расхода ча14 1иачной воды и кислотности питател:ьного субстрата, блок определения текущей скорости роста микроорганизмов, интегратор, блок деления, контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, температуры и рН- среды, уровня в ферментере, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, отличающаяся тем, что, с целью повьппения выхода биомассы, она снабжена последовательно соединенными блоками запоминания сравнения, параллельной коррекции задатчиком нижнего уровня, блоком проверки на ограничения концентраций субстрата и коммутатором, последовательно соединенньми блоками переключения управления, последовательной коррекции, задатчиком нижнего уровня, блоком проверки на ограничения тем- л пературы культивирования и коммутатором, а также генератором частоты и двумя задатчиками верхнего уровня при этом выход блока деления подключен к блокам запоминания и сравнения входы блока переключения управления соединены с блоками сравнения и последовательной коррекции,.выход - с блоком параллельной коррекции, выходы генератора частоты соединены с интегратором, блоком последовательной коррекции и коммутаторами, а выходы блоков параллельной и последовательной коррекции подключены к генератору частоты и задатчику нижнего и. верхнего уровней, причем выходы за- датчиков верхнего уровня соединены с блоками проверки на ограниче - кия.