Способ автоматического управления многостадийным процессом брожения Советский патент 1989 года по МПК C12Q3/00 

(21)4175851/31-13

(22)06.01,87

(46) 15.05.89. Бюл. № 18

(71)Каунасский политехнический институт им.Антанаса Снечкуса

(72)М.З.Милашаускас, Ю-К.Ю.Станиш- кис, Р.Ю.Симутис и Г.И.Гваздайтис

(53)663.1(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 1149230, кл. С 12 Q 3/00, 1983.

(54)СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОСТАДИЙНЫМ ПРОЦЕССОМ БРОЖЕНИЯ

(57)Изобретение относится к спиртовой промышленности и может быть использовано для автоматического управления процессом биосинтеза этилового спирта из крахмалистого сырья. С целью повышения точности регулирования

концентрации питательного субстрата в дображивающем ферментере измеряют скорость потребления буферного агента микроорганизмами, скорость выделения углекислого газа из ферментера, определяют концентрацию питательного субстрата в дображивающем ферментере по данным измерениям, а регулирование разбавлением культуральной среды в дображивающем ферментере и возвратом биомассы в головной ферментер осуществляют таким образом, чтобы концентрация питательного субстрата в отводимой культуральной среде соответствовала заданному значению концентрации питательного субстрата в отводимой культуральной среде из дображивающего ферментера. 1 ил.

(Л

Изобретение относится к спиртовой промышленности и может быть использовано для автоматического управления процессом биосинтеза этилового спирта из крахмалистого сырья. С целью повышения точности регулирования концетрации питательного субстрата в дображивающем ферментере измеряют скорость потребления буферного агента микроорганизмами, скорость выделения углекислого газа из ферментера, определяют концетрацию питательного субстрата в дображивающем ферментере по данным измерениям, а регулирование разбавлением культуральной среды в дображивающем ферментере и возвратом биомассы в головной ферментер осуществляют таким образом, чтобы концетрация питательного субстрата в отводимой культуральной среде соответствовала заданному значению концетрации питательного субстрата в отводимой культуральной среде из дображивающего ферментера. 1 ил.

1

Изобретение относится к спиртовой промышленности и может быть использовано для автоматического управления процессом биосинтеза этанола из крахмалистого сырья.

Цель изобретения - повышение точности регулирования концентрации питательного субстрата в дображивающем ферментере.

Способ автоматического управления многостадийным процессом брожения заключается в следующем.

В непрерывных процессах спиртового брожения важно, чтобы подаваемый питательный субстрат расходовался экономично, т.е. в отводимой культуральной среде концентрация питатель;ного субстрата должна иметь малые значения (порядка 0,5-1,0 гс/л).

Технологическая схема непрерывной ферментации спирта состоит из головного ферментера, в который непрерывно подается питательный субстрат и синтез этанола производится в аэробных условиях, и дображивающего ферменте,- ра, в который непрерывно подается культуральная среда из головного ферментера и дображивание культуральной среды осуществляется в анаэробных условиях. По данной технологической схеме также осуществляется возврат биомассы из дображивающего ферментера в головной ферментер непрерывная ферментация этанола производится при

со ел

эо

постоянных скоростях разбавления питательного субстрата в головной ферментер, культуральной среды в дображивающий ферментер и скорости час- тичного возврата биомассы из дображивающего ферментера в головной фермен- тер.

Однако начальная концентрация пи- тательного субстрата может меняться во времени в зависимости от используемого начального сырья для приготовления питательного субстрата, тем самым имеет место изменение концентрации питательного субстрата в головном и до- браживающем ферментерах. Так как концентрация питательного субстрата в отводимой культуральной среде определяется процессом дображивания, управление непрерывным процессом бролге ния осуществляют следующим образом.

Скорость выделения углекислого газа из ферментера пропорциональна скорости роста микроорганизмов, концентрации микроорганизмов и скорости синтеза этилового спирта согласно уравнению

ГСОГ + + (°

где г.. - скорость выделения угле°i,

кислого газа из ферменте-

ра} /U - удельная скорость роста

микроорганизмов; Ј - удельная скорость выделения этилового спирта; X - концентрация микроорганиз- I мов в ферментере;

коэффициенты пропорциональности.

Скорость потребления буферного агента микроорганизмами пропорциональна скорости роста микроорганизмов согласно уравнению

ГЦЩ К5(ЧХ7

(2)

где fN - скорость потребления- буфер-

кого агента микроорганизмами; Kj- коэффициент пропорциональности;

а скорость выделения этилового спирта непосредственно связана с ростом микроорганизмов

7 - K5fu

О)

I

где К - коэффициент пропорциональности.55 Преобразовав уравнения (1)-(3), получают уравнение (4) для определения значения удельной скорости роста микроорганизмов

глп- К. г

Чо.

1 -NH,

(4)

K K- -+b-t-K-i- ; К2 1 К3

tr

2 коэффицик3

енты пропорциональности. Так как удельная скорость роста .микроорганизмов имеет однозначную функциональную зависимость по отношению к питательному субстрату для конкретных микроорганизмов, по определённому значению удельной скорости роста микроорганизмов определяется концентрация питательного субстрата в дображивающем ферментере, .сравнивается с минимальным заданным значением концентрации питательного субстрата в нем, а регулирование концентрацией питательного субстрата в дображивающем ферментере производится путем изменения скорости разбавления культуральной среды, подаваемой в дображивающий ферментер, и путем изменения скорости возврата биомассы в головной ферментер.

I

На чертеже изображена система, реализующая способ автоматического управления многостадийным процессом брожения,

Система состоит из головного ферментера 1, дображивающего ферментера 2, контура регулирования подачей питательного субстрата, включающего датчик 3 расхода питательного субстрата, связанный через регулятор 4 расхода питательного субстрата с исполнительным механизмом 5, установленным на линии подачи питательного субстрата, контура-регулирования подачей воздуха на аэрацию, включающего датчик 6 расхода воздуха, связанный через регулятор 7 расхода воздуха с исполнительным механизмом 8, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию, контура регулирования рН культуральной среды в дображивающем ферментере 2, включающего датчик 9 рК культуральной среды, связанный через регулятор 10 рН культуральной среды с исполнительным механизмом 11, установленным на линии подачи буферного агента, контура регулирования скорости разбавления культуральной среды в дображивающий ферментер 2 и скорости возврата биомассы в головной ферментер 1, включающего датчик 12 скорости потребления буферного

14795186

ся с заданным минимальным значением и формируется сигнал для исполнитель- 1 ного механизма 17, который меняет удельной скорости роста микроорганиз- с расход культуральной среды в дображиагента микроорганизмами, датчик 13 скорости выделения углекислого газа из ферментера, блок 14 определения

мов, блок 15 определения текущего значения концентрации питательного субстрата, связанные через регулятор 16 концентрации питательного субстрата с исполнительным механизмом 17, уста- новленным на линии подачи культуральной среды в дображивающий ферментер 2 и исполнительным механизмом 18, установленным на линии возврата биомассы из отстойника 19.

Система работает следующим образом.

Сигнал от датчика 3 расхода питательного субстрата подается на регулятор 4 расхода питательного субст- рата, который сравнивает заданное значение расхода питательного субстрата с текущим и формирует сигнал

для исполнительного механизма 5 изменяющего подачу питательного субстрата в головной ферментер 1. Сигнал от датчика 6 расхода воздуха подается на регулятор 7 расхода воздуха, который сравнивает заданное значение

расхода воздуха с текущим и формирует 30 биомассы увеличивается, а при уменьсигнал для исполнительного механизма 8, установленного на линии подачи воздуха в головной ферментер 1. Сигнал от датчика 9 рК культуральной среды подается на регулятор 10 рК культуральной среды в дображивающем ферментере 2, который сравнивает заданное значение рН культуральной среды в дображивающем ферментере с текущим и формирует сигнал для исполнительного механизма 11, установленного на линии подачи буферного агента. Сигналы от датчика 12 скорости потребления буферного агента микроорганизмами и от датчика 13 скорости выделе- 45 брожения, о тличающ ийс

ния углекислого газа из дображивающего ферментера 2 подаются на блок 14 определения удельной скорости роста микроорганизмов, сигнал которого подается на блок 15 определения текущего значения концентрации питательного субстрата. Сигнал от блока 15 подается на регулятор 16 концентрации питательного субстрата. Сигнал от блока 15 подается на регулятор 16 концентрации питательного субстрата, в котором текущее значение концентрации питательного субстрата в до- .браживающем ферментере 2 сравниваеттем, что, с целью повышения точн регулирования концентрации питат ного субстрата в дображивающем ф ментере, осуществляют подачу буф

50 го агента на вторую стадию проце брожения, измеряют его расход и ход выходящего углекислого газа этой стадиигопределяют удельную рость роста микроорганизмов по из

55 ренным параметрам, устанавливают кущее значение концентрации пита ного субстрата по величине удель скорости роста микроорганизмов, нивают текущее значение концентр

вающий ферментер 2 таким образом, чтобы поддержать заданное минимальное значение концентрации питательного субстрата в отводимой культуральной среде, т.е. при наличии разницы (ST- 8эад)) где S - текущее значение

0

концентрации питательного субстрата в отводимой культуральной среде; SJO|,- заданное значение концентрации 5 питательного субстрата в отводимой

культуральной среде, разбавление культуральной среды уменьшается путем изменения расхода культуральной среды в дображивающий ферментер 2. Тот же сигнал регулятора 16 концентрации питательного субстрата подается на исполнительный механизм 18, меняющий скорость возврата биомассы в головной ферментер 1 по отношению к изменению значения начальной концентрации питательного субстрата, подаваемого в головной ферментер 1, т.е. при увеличении концентрации питательного субстрата скорость возврата

5

шении уменьшается.

Данный способ позволяет повысить точность поддержания концентрации пи- тательного субстрата в дображивающем ферментере в среднем на 0,24 гс/л.

Формула изобретения

Способ автоматического управления многостадийным процессом брожения, предусматривающий регулирование подачи субстрата и расхода аэрирующего воздуха на первой стадии процесса

я

тем, что, с целью повышения точности регулирования концентрации питательного субстрата в дображивающем ферментере, осуществляют подачу буферного агента на вторую стадию процесса брожения, измеряют его расход и расход выходящего углекислого газа на этой стадиигопределяют удельную скорость роста микроорганизмов по изме-

ренным параметрам, устанавливают текущее значение концентрации питательного субстрата по величине удельной скорости роста микроорганизмов, сравнивают текущее значение концентрации

7 1

питательного субстрата с заданным значением и осуществляют регулирование концентрации питательного субстрата в отводимой, культуральной среде в зависимости от результата сравне

8

ния путем одновременного изменения расхода возвращаемой биомассы на первую стадию процесса брожения и подачи культуральной среды на вторую стадию процесса брожения.