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

Изобретение относится к автоматическому управлению процессом культивирования микроорганизмов и может быть использовано на предприятиях микробиологической промьшшенности, например, при производстве биомассы микроорганизмов.

Целью изобретения является повышение производительности ферментера по биомассе в полупериодическом процессе культивирования микроорганизмов.

На чертеже изображена блок-схема системы автоматического управления .полупериодическим процессом культивирования аэробных микроорганизмов.

Система включает контур стабилизации на заданном уровне величины рН

с датчиком 1 рН культуральной среды, связанным через регулятор . рН с исполнительным механизмом 3, установленным на линии подачи буферного агента, контур стабилизащш .температуры культуральной среды в ферментере 4, включающий датчик 5 температуры культуральной среды, связанный через регулятор 6 температуры с исполнительным механизмом 7, установленным на линии подачи охлаждаюп1ей воды, контур управления оборотами металки, содержащий электропривод 8 мешалки, вход которого подключен к выходу регулятора 9 оборотов мешалки, а вьрсод связан с датчиком 10 оборотов мешалки, датчик 1 1 концентрации растворенного кислорода, контур управления подачей писд

со со .

оо

О5

315

тательного субстрата, включающий дат- tiKk 12 расхода питательного субстрата, связанный через регулятор 13 питательного субстрата с исполнительным механизмом 14, установленным на - линии подачи питательного субстрата, при этом вход регулятора 13 питательного субстрата посредством экстремального регулятора 15 связан с вьпсодом блока 16 деления, один из входов которого посредством блока 17 умноже- связан с датчиком 18 концентрации микроорганизмов и датчиком 19 объема .сфрментагщонной среды в ферментере 4, датчик 7.0 расхода воздуха, исполни- |т1ельный механизм 21, установленный на л1шии подачи воздуха, и регулятор 22 расхода воздуха, соединенный с исполнительным механизмом 21, установлен- на линии подачи воздуха, причем датчик 20 расхода воздуха подсоединен к регулятору 22 расхода воздуха. Кроме того, датчик 11 растворенного кислорода подключен к входу регулятора 9 привода мешалки, а второй вход блока 16 деления сигналов связан с выходом датчика 10 оборотов мешалки. В процессе культивирования микроорганизмов потребляется кислород, поэтому в процессе биосинтеза в ферментер подается воздух.

Если расход воздуха, поступающего на аэрацию, стабилизирован, то концентрация растворенного кислорода на определенном уровне регулируется путем изменения скорости вращения импе- лятора мегаалкио Таким образом, скорость вращения мешалки отражает скорость роста биомассы микроорганизмов. Поэтому данный параметр целесообразно использовать для регулирования расхода подпитьгоающего субстрата таким образом, чтобы концентрация субстрата в ферментахщонной среде соответствовала максимальной величине оборотов мешалки на единицу биомассы, или, что то же самое, максимальной скорости роста биомассы. Величина оборотов

В ферментере 4 осуществляется процесс полупериодического культивирования азробньж микроорганизмов. Сигнал с датчика 1 рН культуральной среды поступает на регулятор 2 рН, где сравнивается с заданным. R случае несовпадения сигналов регулятором 2 выра- батьгоается сигнал управления, поступающий на исполнительный механизм 3, установленный на линии подачи буферного агента. Сигнал от датчика 5 температуры поступает на вход регулятора 6 температуры, который сравнивает сигнал датчика 5 с заданным и воздействует на исполнительный механизм 7, установленный на линии подачи охлаждающей воды. Сигнал от датчика 20 расхода воздуха поступает на вход регулятора 22 расхода воздуха. Регулятор 21 сравнивает сигнал датчика 20 с заданным и воздействует на исполнительный механизм 21, установленный на линии подачи воздуха. Сигнал с датчика 11 концентрации растворенного кислорода поступает на вход регулятора 9 оборотов мешалки. Регулятор 9 сравнивает сигнал датчика 11 с заданным и в случае отклонения воздействует на электропривод 8 мешалки. Сигнал с датчика 10 оборотов мешалки и выходной сигнал блока 17 умножения сигналов, поступаюш тх от датчиков 18 и 19 объема среды в ферментере и концентрации микроорганизмов

35 соответственно, поступают на входы блока 16 деления сигналов, на выходе которого вырабатывается сигнал, пропорциональный оборотам мешалки, деленным на биомассу микроорганизмов

40 в ферментере, т.е. пропорциональный скорости роста микроорганизмов. Выходной сигнал блока 16 деления поступает через оптимизатор 15 на задаюш сй вход регулятора 13 расхода подпиты45 вающего субстрата, на другой вход которого поступает сигнал от датчика 12 расхода подпитывающего субстрата. В регуляторе 13 эти сигналы сравниваются, и в случае рассогласования

мешалки на единшту биомассы определя- JQ на выходе регулятора 13 вырабатывает- ется путем деления сигнала датчика оборотов мешалки на общее количество биомассы, определяемое как произведение сигналов датчиков объема ферментационной среды и концентрации микроорганизмов.

Система автоматического управления полупериодическим процессом работает следующим образом.

ся управляющий сигнал для исполнительного механизма 14, соответствующим образом изменяющего расход, подгшты- вающего субстрата и поддерживающего ее таким образом оптимальную концентрацию субстрата в ферментере.

Экспериментальная проверка данной системы автоматического управления полупериодическим процессом куль0

5

В ферментере 4 осуществляется процесс полупериодического культивирования азробньж микроорганизмов. Сигнал с датчика 1 рН культуральной среды поступает на регулятор 2 рН, где сравнивается с заданным. R случае несовпадения сигналов регулятором 2 выра- батьгоается сигнал управления, поступающий на исполнительный механизм 3, установленный на линии подачи буферного агента. Сигнал от датчика 5 температуры поступает на вход регулятора 6 температуры, который сравнивает сигнал датчика 5 с заданным и воздействует на исполнительный механизм 7, установленный на линии подачи охлаждающей воды. Сигнал от датчика 20 расхода воздуха поступает на вход регулятора 22 расхода воздуха. Регулятор 21 сравнивает сигнал датчика 20 с заданным и воздействует на исполнительный механизм 21, установленный на линии подачи воздуха. Сигнал с датчика 11 концентрации растворенного кислорода поступает на вход регулятора 9 оборотов мешалки. Регулятор 9 сравнивает сигнал датчика 11 с заданным и в случае отклонения воздействует на электропривод 8 мешалки. Сигнал с датчика 10 оборотов мешалки и выходной сигнал блока 17 умножения сигналов, поступаюш тх от датчиков 18 и 19 объема среды в ферментере и концентрации микроорганизмов

35 соответственно, поступают на входы блока 16 деления сигналов, на выходе которого вырабатывается сигнал, пропорциональный оборотам мешалки, деленным на биомассу микроорганизмов

40 в ферментере, т.е. пропорциональный скорости роста микроорганизмов. Выходной сигнал блока 16 деления поступает через оптимизатор 15 на задаюш сй вход регулятора 13 расхода подпиты45 вающего субстрата, на другой вход которого поступает сигнал от датчика 12 расхода подпитывающего субстрата. В регуляторе 13 эти сигналы сравниваются, и в случае рассогласования

0

5

0

на выходе регулятора 13 вырабатывает-

ся управляющий сигнал для исполнительного механизма 14, соответствующим образом изменяющего расход, подгшты- вающего субстрата и поддерживающего таким образом оптимальную концентрацию субстрата в ферментере.

Экспериментальная проверка данной системы автоматического управления полупериодическим процессом культивирования микроорганизмов показала что система обеспечивает повышение производительности ферментера по биомассе на 16,7%,

Формула изобретения

Система автоматического управления полупериодическим процессом культивирования аэробных микроорганизмов, содержащая контур стабилиза1Ц1и на заданном уровне величины рН, включающий датчик рН культуральной среды, связанный через регулятор рН с ис- . полнительным механизмом, установленным на линии подачи буферного агента, контур стабилизации температуры культуральной среды в ферментере, включающий датчик температуры культуральной среды, связанный через регулятор температуры с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи охлаждающей воды, контур управления оборотами мешалки, содержащий электропривод мещалки, вход которого подключен к выходу регулятора оборотов мешалки, а выход связан с датчиком оборотов мешалки, датчик концентрации растворенного кислорода, контур управления подачей питательного субстрата, включающий датчик расхода- питательного субстрата, связанный через регулятор питательного субстрата с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи питательного субстрата, при этом вход регулятора питательного субстрата посредством экстремального регулятора связан с выходом блока деления, один из входов которого посредством блока умножения связан с датчиком концентрации микроорганизмов и датчиком

объема ферментационной среды в ферментере, датчик расхода воздуха, исполнительный механизм, установленный на линии подачи яоздзпса и регулятор расхода воздуха, соединенный с исполнительным механизмом на линии подачи воздуха, отличающаяся тем, что, с целью повьштения производительности ферментера по биомассе, выход датчика расхода воздуха подсоединен к регулятору расхода воздуха, датчик растворенного кислорода подключен к входу регулятора привода мешалки, а второй вход блока деления сигналов связан с выходом датчика

оборотов мешалки.

Изобретение относится к управляемому культивированию микроорганизмов и направлено на повышение производительности ферментера по биомассе при полупериодическом процессе культивирования аэробных микроорганизмов. В процессе культивирования стабилизируют температуру и PH культуральной жидкости, а также расход воздуха на аэрацию. Контролируют парциальное давление культуральной жидкости, концентрацию микроорганизмов, объем культуральной жидкости и число оборотов мешалки. При стабилизации расхода воздуха и величине PO₂ отношение числа оборотов мешалки к биомассе микроорганизмов характеризует скорость роста микроорганизмов, поэтому подачу питательного субстрата регулируют таким образом, чтобы поддерживать это отношение на максимальном уровне. 1 ил.