Способ автоматического управления циклическим процессом непрерывного культивирования микроорганизмов Советский патент 1989 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к способам автоматического управления процессами непрерывного культивирования микроорганизмов, и может быть использовано, например, при производстве кормовых дрожжей.

Цель изобретения - увеличение выхода биомассЫо

Способ заключается в следующем.

При непрерывном культивировании микроорганизмов импульсное введение субстрата позволяет синхронизировать процесс биосинтеза и более рацион ль- но использовать субстрат, что увеличивает экономичность процесса. При этом целесообразно вводить такое.количество субстрата, которое полностью

лотребляется клеткаш в течение одлой генеращш, а частота следования вводимых доз приблизительно равна периоду генерации. Субстрат потребляется более ра1 ионально, кОгда доза субстрата вводится не импульсно, а последовательно, с некоторой скоростью подачи Для каждого процесса культивирования существует оптимальный режим дробной подачи субстрата (характерные параметры - величина дозы и скорость |ее подачи, частота следования подава- емых доз) , который обеспечивает жела

iCMbie показатели процесса культивиро- |вания, например максимальную эконо- 1мичность процесса. Из-за нестационар- 1ности процесса заранее можно только приблизительно установить значения ;этих параметров. Уточнить их можно путем поиска максимальной экономично- |сти процесса в реальном масштабе вре- мени.

; При осуществлении данного способа величину дозы субстрата и скорость ее подачи устанавливают эксперимен- :тально, поддерживая частоту следова- ния подаваемых доз, равную среднему :периоду деления культивируемых клеток inpH оптимальных стационарных условиях культивирования. Подбирают величину ;дозы субстрата и скорость ее подачи такими, чтобы обеспечить максимальную экономичность процесса. Для выбранной :величины дозы и оптимальной скорости ;ее подачи в реальном масштабе времени ведут дальнейший поиск максимальной экономичности процесса путем управления частотой подаваемых доз. Для этого необходимо непрерывно по ходу про- цесса устанавливать экономичность процесса о

0экономичности процесса можно судить по интегральному показателю

,

1

jQsoSodf

. 50

де I - интегральный показатель экономичности процесса

Q - скорость потребления кислорода микроорганизмами-,

Q gg - расход подаваемого субстра- tj та;

S g - концентрация входного субстрата ,

Т - период интегрирования,

«

5

0

0

5 0

45

50

tj

так как количество потребляемого кислорода пропорционально приросту био- ма с с: III,

Поэтому частотой подаваемых доз субстрата управляют таким образом, (чтобы максимизировать интегральньй показатель экономичности процесса.

На чертеже изображена система, реализующая предлагаемый способ.

Система состоит из ферментера 1, контура регулирования подачи субстрата по основному потоку, включающего датчик 2 расхода, связанный через регулятор 3 с исполнительным механизмом 4, установленным на линии подачи субстрата, контура регулирования уровня среды в ферментере, включающего датчик 5 уровня, регулятор 6 и исполнительный механизм 7 на линии подачи воды на разбавление и контура регулирования подачи субстрата дискретных доз субстрата, включающего датчик 8 скорости потребления микроорганизмами,, выход которого через интегратор

9подключен к первому входу блока 10 деления, датчик 11 расхода подаваемого субстрата, выход которого через интегратор 12 и блок 13 умножения подключен к второму входу блока 10 деления, а выход последнего через экстремальный регулятор 14, програм-- мньш таймер 15 и реле 16 времени соединен с прокачивающим средством 17. Кроме .того, схема содержит блок 18 синхронизадаи, выход которого соединен с интеграторами 9, 12 и блоком

10деления, и задатчик 19 концентра- иди входного субстрата, который связан с блоком 13 умножения.

Система работает следующим образом

Контур регулирования подачи субстрата, состояпа- й из датчика 2 расхода, регулятора 3 и исполнительного механизма 4, установленного на линии подачи субстрата по основному потоку, обеспечивает поддержание фоновой концентрации субстрата в ферментере необходимой для поддержания жизнедеятельности 1 Шкроорганиз чов в интервалах времени между завершеш-юм сбраж -- вания предьщущей дозы до подачи следующей дозы субстрата, т,е. для устранения глубокого ллм1- та по субстрату. Количество непрерывно подаваемого субстрата - это количество субстрата, потребляемого для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов при заданных условиях культивирования

Контур регулирования подачн дискретных доз субстрата по дополнительному потоку обеспечивает поиск максимальной экономичности процесса путем управления частотой подаваемых доз.

Датчиком 8 измеряется скорость потребления кислорода микроорганизмами. Сигнал датчика 8 подается на интегратор 9, в котором подсчитывается количество кислорода, потребляемого для культивирования микроорганизмов за заданный период времени. Сиг1467085

10

хода блока 10 деления, характеризующий экономичность процесса, подается на экстремальный регулятор 14. Экстремальный регулятор управляет работой программного таймера 15, посредством которого задается частота следования подаваемых доз субстрата„ Экстремальный регулятор 14 осуществляет поиск максимального значения интегрального показателя экономичности процесса путем коррекции частотой подаваемых доз. По сигналу таймера 15 срабатывает реле 16 времени, от вьщержки котонал с выхода интегратора 9, пропорци- д рой зависит величина подаваемой-дозы ональныи количеству приросшей биомас- и включает прокачивающее средство сы, подается на первый вход блока 10 17, посредством которого доза субст- (Целения. Также датчиком 11 измеряет- рата подается на ферментер. От харак- ся расход подаваемого субстрата. Сигнал датчика 11 подается на интегратор 12, в котором подсчитывается количество потребляемой субстратной жидкости за заданный период времени. Периоды интегрирования интеграторов 9 и 12 равные. Сигнал с выхода интегратора 12 поступает на блок 13 умножения, в котором умножается на сигнал концентрации входного субстрата, зада- ваемы й задатчиком 19, и с выхода блока умножения сигнал, пропорциональный количеству потребляемого субстрата, подается на второй вход блока 10 деления, в котором определяется отношение количества кислорода к количеству субстрата, т.е. интегральный показатель экономичности процесса. Работой интеграторов 9, 12 и блока 10 деления управляет блок 18 синхронизации, который задает период интегриротеристики прокачивающего средства зависит скорость подачи дозы субстрата. Величина подаваемой дозы и скорость ее подачи устанавливаются экспериментально для данного процесса. Начальная частота подаваемых доз равна 25 среднему периоду деления культивиру- емьк клеток при оптимальных стационарных условиях культивирования. I

Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа устанавливают .оптимальный режим дробной подачи субстрата, который обеспечивает макси- мельную экономичность процесса при данных условиях культивирования и увеличивает выход на 7,3%.

35

Формула ИЗ обретения

Способ автоматического управления циклическим процессом непрерывного

вания. I

После окончания этого периода блок 18 син-крониза1: и формирует управляющий сигнал, по которому сигналы интегральной суммы с выходов интеграторов 9 и 12 подаются на блок 10 деления, осуществляя сброс интеграторов и запуск блока деления. Время интегрирования зависит от инерционности процесса и равно целому числу периодов подаваемых доз (например, изменение частоты подаваемых доз вызывает переходной процесс, после завершения которого устанавливается новое значение интегрального показателя экономичности процесса, время интегрирования - это время переходного процесса) , Сигнал периодичности подаваемых доз подается на блок 18 синхронизации с выхода таймера 15. Сигнал с вы1467085

хода блока 10 деления, характеризующий экономичность процесса, подается на экстремальный регулятор 14. Экстремальный регулятор управляет работой программного таймера 15, посредством которого задается частота следования подаваемых доз субстрата„ Экстремальный регулятор 14 осуществляет поиск максимального значения интегрального показателя экономичности процесса путем коррекции частотой подаваемых доз. По сигналу таймера 15 срабатывает реле 16 времени, от вьщержки которой зависит величина подаваемой-дозы и включает прокачивающее средство 17, посредством которого доза субст- рата подается на ферментер. От харак-

д рой зависит величина подаваемой-дозы и включает прокачивающее средство 17, посредством которого доза субст- рата подается на ферментер. От харак-

теристики прокачивающего средства зависит скорость подачи дозы субстрата. Величина подаваемой дозы и скорость ее подачи устанавливаются экспериментально для данного процесса. Начальная частота подаваемых доз равна 5 среднему периоду деления культивиру- емьк клеток при оптимальных стационарных условиях культивирования. I

Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа устанавливают .оптимальный режим дробной подачи субстрата, который обеспечивает макси- мельную экономичность процесса при данных условиях культивирования и увеличивает выход на 7,3%.

д рой зависит величина подаваемой-дозы и включает прокачивающее средство 17, посредством которого доза субст- рата подается на ферментер. От харак

35

Формула ИЗ обретения

д рой зависит величина подаваемой-дозы и включает прокачивающее средство 17, посредством которого доза субст- рата подается на ферментер. От харак- Способ автоматического управления циклическим процессом непрерывного

0 культивирования микроорганизмов, предусматривающий разделение потока подаваемого субстрата на основной и дополнительный, подаваемый дозами, регулирование подачи субстрата в ос5 новном и дополнительном потоках и воды и измерение скорости потребления кислорода микроорганизмами, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода биомассы, измеряют

0 обгщй расход подаваемого субстрата и определяют количество кислорода и субстрата, потребляемые для культивирования микроорганизмов, и их соотно- щение, а регулирование подачи субст5 рата в дополнительном потоке осуществляют в зависимости от максимального значения интегральной величины соотношения количества кислорода, потребляемого для культивирования микроорганизмов, к количеству субстрата, потребляемого для культивирования

микроорганизмов путем изменения частоты подаваемой дозы.

Изобретение относится к микробиологической промьшшенности, в частности к способам автоматического управления процессами непрерьшного куль- .тивирования микроорганизмов, и может быть использовано, например,при производстве кормовых дрожжей. Целью изобретения является увеличение выхода биомассы. Способ автоматического управления циклическим процессом непрерывного культивирования микроорганизмов предусматривает регулирование подачи субстрата в основном и дополнительном потоках и подачу воды в ферментер в зависимости от уровня измерений скорости потребления кислорода микроорганизмами и расход подаваемого субстрата. Устанавливают количество кислорода и субстрата, потребляемого для культивирования микроорганизмов, по соотношению этих параметров опре- деляют интегральный показатель экономичности процесса, при этом подачу субстрата в дополнительном потоке осуществляют импульсными дозами, причем в реальном масштабе времени ведут поиск максимального значения интегрального показателя экономичности процесса путем управления частотой подаваемых доз в дополнительном потоке. Способ позволяет по сравнению с прототипом синхронизировать процесс биосинтеза микроорганизмов импульсной подачей субстрата, более рационально использовать субстрат и увеличить выход биомассы в среднем на 7,3%. 1 ил. о сл 4 о 00 ел

Редактор А.Козориз

Составитель ГоБогачева

Техред Л.ОлийныкКорректор С.Шекмар

Заказ 1116/21

Тираж 500

ВНИИ11И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г.Ужгород, ул. Гагарина,101

Подписное