Система автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов Советский патент 1990 года по МПК C12Q3/00 

о

|Ь.

00

го субстрата. Система автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов снабжена датчиком 13 концентрации углекислого газа в отходящих газах, блоками 16 и 17 определения концентрации питательного субстрата и экстремальным регулятором 19, на вход которого подключены блоки 16 и 17 определения концентрации микроорганизмов и концентрации субстрата, а выход подключен к исполнительному механизму 20, установленному на линии подачи субстрата. 1 ил.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к системам управления процессами культивирования микроорганизмов. Цель изобретения - повышение выхода биомассы и снижение концентрации неиспользованного субстрата. Система автоматического управления процесом непрерывного культивирования микроорганизмов снабжена датчиком 13 концентрации углекислого газа в отходящих газах, блоками 16 и 17 определения концентрации питательного субстрата и экстремальным регулятором 19, на вход которого подключены блоки 16 и 17 определения концентрации микроорганизмов и концентрации субстрата, а выход подключен к исполнительному механизму 20, установленному на линии подачи субстрата. 1 ил.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в, частности к системам управления процессами культивирования микроорганизмов.

Целью изобретения является повышение биомассы и снижение концентрации неиспользованного субстрата.

На чертеже изображена структурная схема систем-ы автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов.

Система содержит ферментер 1, контур регулирования подачи воздуха на аэрацию, содержащий датчик 2 расхода, регулятор 3 расхода и исполнительный механизм 4, контур регулирования температуры, содержа- .щий датчик 5 температуры, регулятор 6 температуры и исполнительный механизм 7, контур регулирования рН, содержащий датчик 8 кислотности, регулятор 9 и исполнительный механизм 10, а также датчик 11 скорости потребления буферного агента, прибор 12 для измерения скорости потребления буферного агента, датчик 13 концентрации углекислого газа в отходящих газах, датчик 14 концентрации кислорода в отходящих газах, датчик 15 объема культураль- ной среды в ферментере, блок 16 определения концентрации субстрата, блок 17 определения концентрации биомассы. блок 18 вычисления функционала для опре- деленияусловной производи .-ельности, экстремальный регулятор 19 и исполнительный механизм 20, установленный на линии подачи субстрата в ферментер.

Расход воздуха для аэрации ферментера 1 поддерживается контуром, содержащим датчик 2 расхода, подключенный к регулятору 3 расхода, управляющему исполнительным механизмом 4. Регулятор сравнивает текущее значение расхода воздуха с заданным и формирует управляющий сигнал для исполнительного механизма 4, установленного на линии подачи воздуха в ферментер.

Температура культуральной среды в ферментере поддерживается контуром стабилизации температуры. Этот контур содержит датчик 5 температуры, подключенный

на вход регулятора 6 температуры, который путем сравнения измеренного и заданного значений температур формирует управляющий сигнал для исполнительного механизма 7 на линии подачи в рубашку ферментера охлаждающей воды.

Кислотность культуральной среды измеряется датчиком 8 кислотности, соединенным с регулятором 9, который путем

0 сравнивания измеренного и заданного значений рН формирует регулирующий сигнал

для исполнительного механизма 10, управляющего подачей аммиачной воды в ферментер.

5 Система работает следующим образом.

В ферментер 1 подают сусло, воздух на

аэрацию и аммиачную воду для поддержания кислотности среды пропорционально скорости роста биомассы и скорости по0 требления субстрата. Скорость потребления аммиачной воды измеряется датчиком 11 скорости потребления буферного агента и прибором 12 для измерения скорости потребления буферного агента, а измеренный 5 сигнал подается на входы блока 16 определения концентрации субстрата и блока 17 определения концентрации биомассы. Концентрация углекислого газа в отходящих газах измеряется датчиком 13 концентрации 0 углекислого газаи измеренный сигнал подается на входы блока 16 и блока 17. Концентрация кислорода в отходящих газах измеряется датчиком 14 концентрации кислорода в отходящих газах, а измеренный 5 сигнал подается на вход блока 16. На входы блоков 16 и 17 также подается сигнал с- выхода датчика 2 расходу. ;..,.

Блок 17 рпределения концентрации микроорганизмов, работает следующим об- 40 разом.

На вход блока 17 подается сигнал с датчика 2 расхода воздуха на аэраци,ю,.латчика 13 концентраций углекислого газа в отходящих газах, датчика 14 концентрации.кирло- 45 роДа в отходящих газах, датчика 15 обьема культуральной среды и прибора 12 для измерения скорости потребления буферного агента. На выходе блока 17 формируется сигнал в соответствии с уравнением

Ki/F

Q

C02

Q

02

- K2 QN ,

где X - концентрация микроорганизмов;

Qo2 скорость потребления кислорода;

Qco2 скорость выделения углекислого газа;

QN - скорость потребления азота;

KI, К - коэффициенты пропорциональности;

Qco2

.- ,-функция вариации путем меQo2)

таболизма.

Блок 16 определения концентрации субстрата работает следующим образом.

На вход блока 16 подаются сигнапы с датчика 2 расхода воздуха на аэрацию, датчика 13 концентрации углекислого газа в отходящих газах, датчика 15 объема культу- ральной среды и прибора 12 для измерения скорости потребления буферного агента. На выходе блока 1 б формируется сигнал в соответствии с уравнением

-

(ТЛКГОТ

(, ) 0,2 - К2 (

кз (т)

где S - концентрация углеводов в ферментере;

Ks(T) субстратная постоянная;

/Имакс(Т) - максимальная удельная скорость роста на данном субстрате;

QN - скорость потребления азота;

Qo2 скорость потребления кислорода;

Ki(T); К2(Т); Кз(Т) - коэффициенты пропорциональности.

Сигналы с блока 16, блока 17 и экстремального регулятора 19 подаются на сзход блока 18 вычитания функционала. Через каждые 5 мин он вычисляет разницу между концентрацией биомасы Xi и концентрацией субстрата Si и в течение 30 мин суммирует эти разницы по формуле

1 2 (Xi-ASO D.

i 1

где D - скорость разбавления; i Я-коэффициент пропорциональности:; Si - концентрация субстрата в ферментере;

Х| - концентрация биомассы в ферментере.

Значение функционала подается на вход экстремального регулятора 19, кото- рый, меняя скорость разбавления на определенный шаг, поддерживает значение функционала на максимальном уровне.

В результате применения предлагае- системы обеспечивается снижение рас- хода питательных веществ на единицу синтезьфуемой биомассы в сре мем на 1.5- 2% и повышение концентраций Зиомассы в ферментере на 1,2-1,5%.

Формула изобретения

Система автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, содержащая датчик объема культуральной среды в ферментера,

блок определения концентрации субстрата в ферментере, контуры регулирования температуры, рН и подачи воздуха в ферментер, каждь1й из которых включает датчик, регулятор и исполнительный механизм, отл и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повыше- ния выхода биомассы и снижения концентрации неиспользованного субстрата, она дополнительно снабжена датчиками концентрации кислорода и углекислого газа в

отходящих газах, прибором для измерения скорости потребления буферного агента с датчиком и последовательно соединенные блок определения концентрации биомассы, блок определения условной производительности , экстремальный регулятор и исполнительный механизм, установленный на линии подачи субстрата в ферментер, при этом второй выход экстремального регулятора подключен к входу блока определения

условной производительности, два других входа которого связаны с выходами блоков определения концентрации субстрата и биомассы, а входы последних соединены с прибором для определения скорости потребления буферного агента и датчиками концентрации углекислого газа в отходящих газах, расхода аозду)са.-;-лоступа«зщего. в ферментер, и объема культуральной среды в ферментере, причем датчик концентрации

кислорода в отходящих газах связан с блоком определения концентрации субстрата.