Система управления процессом культивирования микроорганизмов Советский патент 1990 года по МПК G05D7/00 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может найти применение на заводах бел- ково-витаминных концентратов, фер- ментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов и является усовершенствованием изобретения по авт.св. № 1359773.

Цель изобретения - увеличение выхода биомассы.

На чертеже изображена структурная схема системы управления процессом культивирования микроорганизмов.

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3 суммирования, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, бло- ка 6 начальных уставок управляемых параметров, устройства 7 ввода данных химического анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9 отличительных морфологических и ста- тистических признаков культуры микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков процесса ферментации и удовлетворительных решений технолога для них на изменение управляв- мых параметров, блока И формирования сигналов коррекции управляемых параметров, ключа 12 управления, блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза, блока 14 опти- мизации, сумматора 15, блока 16 вычисления активности клеток, блока 17 идентификации модели активности, блока 18 определения удельной ско5

5 0

Q с Q ,.

рости роста по морфолого-физиологическим параметрам, блока 19 определения удельной скорости роста по параметрам среды, блока 20 суммирования удельных скоростей роста, блока 21 сравнения, блока 22 определения производной остаточных углеводородов.

Секции ферментера 1 соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которого датчики оптической плотности (не указаны) соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя 9 соединен с выходом блока 10 памяти, второй выход блока 10 памяти подключен к первому входу блока 11 формирования сигналов коррекции.

Входы блока 10 памяти подключены к выходам блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, пульта 5 управления, устройства 7 ввода данных химического анализа и вычислителя 9,

Входы блока формирования сигналов коррекции управляемых параметров также соединены с выходами блоков 2, 7 и вычислителя 9„ Выход блока И формирования сигналов коррекции соедиг нен через сумматор 15, ключ 12 управления, пульт 5 управления с блоком 3 суммирования.

Один из входов блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, другой - с выходом вычислителя 9 морфологических призна- ков культуры, третий - с устройством 7 ввода данных химического анализа, а выход блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза соединен через блок 14 оптимизации с входом сумматора 15, другой вход сумматора 15 подключен к выходу блока 11 формирования сигналов коррек- ции. Выход сумматора 15 посредством ключа 12 управления соединен с нуль том 5 управления и блоком 3 суммиро- вания.

Пульт 5 управления подключен также к выходам устройства 7 ввода данных химического анализа и блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации. Другой выход блока 2 датчиков контролируемых параметров соединен с блоком 3 суммирования. Выход пульта 5 управления соединен также с входом блока 3 суммирования и входом блока 10 памяти. Выход блока 6 начальных уставок управляющих параметров соединен с входом блока 3 суммирования, выход которого подключен к входу блока 4 исполнительных механизмов, выходы последнего соединены с секциями ферментера 1, Секции ферментера 1 соединены также с блоком 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации

Блок 16 вычисления активности клеток соединен с вычислителем 9 мор фологических признаков, выход блока 16 вычисления активности клеток соединен с входами блока 17 идентификации параметров модели активности и блока 18 определения удельной скорости роста по морфолого-физиологичес- ким параметрам, второй вход блока 18 соединен с выходом блока 17. Блок 19 определения удельной скорости роста по параметрам среды соединен с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, блок 20 суммирования удельных скоростей роста подключен к входу блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза, причем входы блока 20 суммирования подключены к выходам блоков 18 и 19 определения удельных скоростей роста по морфолого физиологическим параметрам и по параметрам среды, а также к выходу блока 21 сравнения. Вход блока 21 сравнения подсоединен к выходу

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

блока 22 определения производной остаточных углеводородов, Входы блока 17 идентификации параметров модели активности, блока 22 определения производной остаточных углеводородов, блока 21 сравнения и блока 19 определения удельной скорости роста по параметрам среды подключены к выходу устройства 7 ввода данных химического анализа.

Система работает следующим обра- зом.

Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12 ус- . танавливается 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 управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6.

Значения величины и знака изменений подачи в ферментер 1 компонентов, 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 положительно, то эта страница с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9 и соответствующим решением на изменение величины и знака компонента остается в блоке 10 памяти. Если решение отрицательно, в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из памяти На этой же странице записывается во сколько раз увеличивается экономический показатель.

С заданным дискретом по времени описанный цикл повторяется, и из набранных 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 обучении нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обрабатывать реально текущие процессы, Пос° ле окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели, месяцы), производится математическая обработка полученных результатов (выбор метрики, высоких коэффициентов и т«да) а затем ключ 12 ставится в такое положение, что система работает в режиме советчика (полуавтомата) следующим образом. Текущие данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9 (т,е., существенно информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигна лов коррекции, где они сравниваются по одному из алгйритмов распознавания образов с данными, записанными

на страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями. Блок 11 выбирает из блока 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 на изменение корректирующих значений изменений регулирующих параметров,

В случае, если в режиме советчика система работает удовлетворительно, то ключ 12 ставится в положение, при котором система переводится в автоматический режим работы, причем удовлетворительной считается такая работа системы, когда при выполнении ее команд (советов) экономический показатель не ниже того, который записан на странице памяти, В случае, если он оказывается выше, то прежняя страница стираетсй и для данного показателя записываются новые данные и решения по ним,

В качестве существенно информационных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются показания датчиков контролируемых параметров по всей технологической линии процесса ферментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов, включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из неDX - (DX)W в | - ф),од 4

II - g, ( + M---S-

А Cjj-Ьад

15556988

обходимых 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 параметров,

JQ статистические характеристики культуры микроорганизмов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа, данные химического анализа с устройст15 ва 7, Система управления процессом ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного оптимального.

20 Введенная локальная оптимизация

(блок 13 идентификации параметров модели, блок 14 оптимизации и сумматор 15) уточняет и дополняет работу системы управления и работает еле-

25 дующим образом. На вход блока 13

идентификации из вычислителя 9 поступают значения МФ-параметров, с блока 7 - значения концентраций биомассы (X), остаточных углеводородов (S),

35

40

30 фосфора (Р20), азота (N), а также из блока 2 - расходы компонентов питания углеводородного (S0), фосфора (Р0) , азота (N0), скорости разведения (D), объема аппарата (V),

В блоке идентификации рассчитываются коэффициенты, в том чис.ле математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры (МФ-параметры) и параметров среды (S, N, Р) путем ликвидации суммы квадрата разностей экспериментальных (за несколько часов, например 10 ч) и теоретических, рассчитанных по модели в блоке идентификации, значений X, S, N, Р.

На вход блока оптимизации поступают с блока идентификации текущие значения коэффициентов математической модели и затем в блоке рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания (S0, N0, P0) и скорости разведения (D) таким образом, чтобы обеспечить минимум заданного критерия. Например, на КОПЗ испытывается критерий

и« - гы°л „Е« гЈел

,Х(Х ,Х 4 ч

8}(м +84(

45

50

55

,N0

(Х

jju) зол

5

0

0 фосфора (Р20), азота (N), а также из блока 2 - расходы компонентов питания углеводородного (S0), фосфора (Р0) , азота (N0), скорости разведения (D), объема аппарата (V),

В блоке идентификации рассчитываются коэффициенты, в том чис.ле математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры (МФ-параметры) и параметров среды (S, N, Р) путем ликвидации суммы квадрата разностей экспериментальных (за несколько часов, например 10 ч) и теоретических, рассчитанных по модели в блоке идентификации, значений X, S, N, Р.

На вход блока оптимизации поступают с блока идентификации текущие значения коэффициентов математической модели и затем в блоке рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания (S0, N0, P0) и скорости разведения (D) таким образом, чтобы обеспечить минимум заданного критерия. Например, на КОПЗ испытывается критерий

и« - гы°л „Е« гЈел

,Х(Х ,Х 4 ч

8}(м +84(

5

0

5

,N0

(Х

jju) зол

0 , N,i N 6 Na

fc N - S5,Na N2 .-p, N + &,,NЈ N,

0 , P, -6 P Ј Рг рг P &г, P Ь Р2

.-I4

.p + S..P Ј P,

Изобретение может быть использовано в производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков. Цель - увеличение выхода биомассы. Изобретение является дополнительным к авт.св. N 1359773 и дополнительно содержит блоки идентификации параметров модели активности, определения удельных скоростей роста по морфологическим параметрам и по параметрам среды, суммирования удельных скоростей роста микроорганизмов, определения производной остаточных углеводородов, сравнения, вычисления активности клеток, что позволяет более правильно скорректировать процесс биосинтеза за счет более точного и раннего определения удельной скорости роста популяции и приводит к улучшению состояния культуры, за счет чего увеличивается выход биомассы. В блоке 16 вычисления активности клеток клетки по морфолого-физиологическим признакам по данным с вычислителя 9 разбиваются на группы: активные, ослабленные, мертвые. Значения последних поступают в блоки 17, 18 идентификации параметров модели активности и определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, где происходит определение удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам. В блоке 19 удельная скорость роста определяется по традиционным методам, например по модели Моно-Иерусалимского, по данным о параметрах среды с блока 2. В блоке 20 суммирования происходит сложение удельных скоростей с соответствующими весовыми коэффициентами, которые корректируются с блока 21 сравнения, на вход которого поступают значения производной остаточных углеводородов с блока 22 и углеводородов по данным химанализа с устройства 7. 1 ил.

где G; - весовые результаты;

DX MA WJ Јwl4aA-3

ные номинальные значения; - нижнее и верхнее регламент ные значения;

Р РЗ. N,,Ne

концентрации остаточных углеводородов, фосфора,азота;

РиО; константы, i

С блока оптимизации сигналы кор™

рекции поступают на сумматор 15, На другой вход сумматора 15 поступает сигнал управления U06,,4 , получаемый на блоке 11. В сумматоре происходит сложение этих сигналов с соответст- вующими удельными весами и вырабаты- вается общий сигнал управления (U)

U K Uxopp + где U - общий сигнал управления; U корр сигнал управления, получаемый локально-оптимизационной частью системы;

U06y4 - сигнал управления, получав мый обучающейся частью системы;К«,К2- удельные коэффициенты,

В случае отказа обучающейся части К2 равно 0.

Описанная система может работать как в режиме советчика, так и в автоматическом режиме, для чего ключ 12 ставится в необходимое заданное положение„

Обучающая часть системы использует в своей работе информацию о про- цессе, полученную в течение ограниченного отрезка времени (недели, месяца) . На производстве в процессе ферментации довольно часто (4-6 раз в сутки) возникают ситуации, ранее не встречающиеся. В этом случае обучающая система дает отказ. Использование системы локальной оптимизации ликвидирует возможность отказов, так как эта подсистема не обладает ограниченной памятью и использует лишь текущую информацию о процессе ферментации.

В блоке 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза идентифицируются коэффициенты математи0

5

0

5

0

5

0

ческой модели, в том числе удельная скорость роста микроорганизмов м , Однако, в виде указанных причин (нестабильность процесса, случайная смена лимитирующего фактора) коэффициент М требует уточнения. Для этого морфолого-физиологические параметры с вычислителя 9 отличительных мор- фологичес ix и статистических признаков культуры микроорганизмов поступают в блок 16 вычисления активности клеток, где все клетки разбиваются на группы (активные, ослабленные, мертвые) по морфологическим признакам. Значения последних поступают в блок 17 идентификации параметров модели по активности и в блок 18 определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам пропорционально относительному содержанию активных клеток, т.е.

(

Таким образом определяют удельную скорость роста по морфолого- физиологическим параметрам /ц Mi(p .

В случае, если точно известно, что лимитирование происходит по основному компоненту питания - углеводородному (УГВ), т.е. УГВ с УГВ заданного и процесс установившийся,

т.е. -- УГВ Ј, то удельная скорость роста определяется известным методом, например по модели Моно- Иерусалимского

Г1

(ИЛЯ«18 КГ

МП

(KS+S) (Kp +Sp-S)

0

5

где (UMO)lcc,Kp,Ks - идентифицируемые параметры модели; S - остаточные углеводороды (УГВ); SQ - входная концентрация парафина,

В блоке 19 происходит определение удельной скорости роста по Моно- Иерусалимскому, куда поступают данные о параметрах среды с блока датчиков контролируемых параметров и с устройства 7 ввода данных химического анализа с содержанием УГВ.

11

,

Значения блока 18 и (U м п. с блока 19 поступают в блок 20 суммирования удельных скоростей роста с весовыми коэффициентами g Hg, т.е. уточненное значение т , используемое для коррекции процесса биосинтеза поступает в блок 13 идентификации па- раметров модели процесса биосинтеза,,

15

Коэффициенты g j, и g корректируют Ю морфолого-физиологическим параметрам,

ся с блока 21 сравнения (управления весовыми коэффициентами), на вход которого поступают значения

последовательно соединенными блоками определения удельных скоростей роста по параметрам среды и суммирования, удельных скоростей роста мик1- УГВ

с устройства

7ввода данных

8блоке 21 теку

химического анализа.

щие значения УГВ и г- УГ-В сравниваat

ются с заданными значениями,Если текущие значения УГВ «с (УГВ)зад, а

- vrB).,,,i , то весовые ко

,-

4t

эффициенты g, 0,2, а gu 0,8, в противном случае g , 0,8, р gu 0,2. Таким образом, использование системы управления процессом культивирования микроорганизмов с дополнитель но введенными блоками вычисления м-активности клеток, идентификации модели активности, определения удельной скорости роста и по морфологе- физиологическим параметрам, и по параметрам среды, определения производной остаточных углеводородов, сравнения и

позволяющими уменьшить влияние нестабильности процесса культивирования, случайной смены лимитирующих факторов, более правильно скорректировать процесс биосинтеза за счет более точного и раннего определения удельной скорости роста популяции, приводит к улучшению состояния культуры, за счет чего увеличиваемся выход биомассы (продуктивность) на

5% (с 2,6 до 2,73 г/л-ч). Формула изобретения Система управления процессом кульопределения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параме рам, второй выход - с первым входом блока идентификации параметров модели активности, а вход - с выходом вы числителя морфолого-физиологических признаков культуры микроорганизмов, выход блока определения удельной скорости роста по морфолого-физиоло-

30 гическим параметрам - с вторым входом блока суммирования удельных скоростей роста, третий вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход - к входу блока идентифика25

суммирования скоростей роста, 35 «ни параметров модели процесса биосинтеза, а также первый вход блока определения удельной скорости роста по параметрам среды соединен с ходом блока датчиков контролируемых

40 параметров процесса ферментации,

вторые входы блоков идентификации па раметров модели активности, сравнения, определения удельных скоростей роста по параметрам среды и первый

45 вход блока определения производной остаточных углеводородов подключены к выходу устройства ввода данных химического анализа.

тивирования микроорганизмов но авт. св. № 1359773, отличающаяся тем, что, с целью увели- чения выхода биомассы, она дополнительно снабжена последовательно соединенными блоками идентификации па- раметров модели активности и определения удельной скорости роста по

морфолого-физиологическим параметрам,

последовательно соединенными блоками определения удельных скоростей роста по параметрам среды и суммирования, удельных скоростей роста микроорганизмов, последовательно соеди™ ненными блоками определения производной остаточных углеводородов и сравнения, и блоком вычисления активности клеток, при этом первый выход последнего соединен с входом блока

определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, второй выход - с первым входом блока идентификации параметров модели активности, а вход - с выходом вычислителя морфолого-физиологических признаков культуры микроорганизмов, выход блока определения удельной скорости роста по морфолого-физиоло-

гическим параметрам - с вторым входом блока суммирования удельных скоростей роста, третий вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход - к входу блока идентифика

«ни параметров модели процесса биосинтеза, а также первый вход блока определения удельной скорости роста по параметрам среды соединен с ходом блока датчиков контролируемых

параметров процесса ферментации,

вторые входы блоков идентификации параметров модели активности, сравнения, определения удельных скоростей роста по параметрам среды и первый

вход блока определения производной остаточных углеводородов подключены к выходу устройства ввода данных химического анализа.