Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов Советский патент 1991 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для автоматического управления непрерывным процессом выращивания микроорганизмов.

Цель изобретения - повышение выхода биомассы.

На чертеже представлена блок-схема система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов.

При непрерывном выращивании микроорганизмов наиболее эффективными являются автоматические системы стабилизации удельной скорости роста, так как они обеспечивают рациональное использование всех компонентов процесса биосинтеза. О интенсивности процесса судят по косвенным параметрам - скорости титрования и потребления кислорода:

Qo2 Ki/4X K2X;(1)

QAB ,(2)

где Qo2 скорость потребления кислорода:

О

ь.

00

о

00

QAB скорость потребления аммиачной воды;

fji - удельная скорость роста микроорганизмов;

X - концентрация микроорганизмов;

Ki, «2, Кз - коэффициенты пропорциональности.

Удельная скорость роста // выражается как функциональная зависимость от соотношения Qo2 /QAB

Qo2/QAB - К5

где К4 К2/Кз и К5 К1/Кз - коэффициенты пропорциональности.

Данная система по ходу процесса поддерживает заданное значение соотношения Qo2 /QAB путем управления подачей субстрата, одновременно стабилизируя удельную скорость роста микроорганизмов.

Функциональная зависимость и f ( Qo2/QAB ) АЛЯ данного процесса выращивания определяется заранее. Ввиду нелинейности функциональной зависимости /и f ( Qo2/QAB ) , чтобы обеспечить динамичность и качество управления на всем рабочем диапазоне, в данной системе предусмотрена коррекция коэффициента усиления регулятора стабилизации соотношения Q02 /Одв в зависимости от величины соотношения Q02 /UAB.

Кроме того, в системе предусмотрены технические средства, защищающие процесс от вымывания, т.е. если даже после увеличения скорости подачи субстрата скорость роста по неизвестным причинам не увеличивается или падает, что свидетельствует о явном нарушении технологического регламента, то подача субстрата, а одновременно и скорость протока на соответствующую долю уменьшаются.

Система содержит контуры регулирования подачи воды, питательных солей и суб- страта, температуры (не показаны), рН и концентрации растворенного кислорода культу рал ь ной среды.

Контур регулирования концентрации растворенного кислорода включает датчик 1 концентрации растворенного кислорода в аппарате, регулятор 2 и исполнительный механизм 3 на линии подачи воздуха, при этом датчиком 4 измеряют расход подаваемого воздуха.

Контур регулирования рН включает датчик 5 рН в аппарате, регулятор 6 и исполнительный механизм 7 на линии подачи аммиачной воды, при этом датчиком 8 измеряют расход аммиачной воды.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Контур регулирования подачи субстрата включает датчик 9 расхода субстрата, регулятор 10 и исполнительный механизм 11 на линии подачи субстрата.

Система также содержит последовательно соединенные датчик 12 концентрации кислорода в выходящих газах, блоки 13 и 14 определения текущей и среднеинтег- ральной скоростей потребления кислорода и блок 15 деления, на второй вход которого через блок 16 определения среднеинтег- ральной скорости подачи аммиачной воды подключен датчик 8 расхода аммиачной воды. Выход блока 15 деления соединен с блоком 17 управления и.с логическим устройством 18, другие входы последнего связаны с блоками 15 и 17 деления и управления, а выходы - с блоком 19 переключения. Блок 20 синхронизации подключен к логическому устройству 18 и к блокам 14 и 16 определения среднеиитегральной скорости потребления кислорода и аммиачной воды, а выход блока 17 управления через блок 19 переключения соединен с задающим входом регулятора 10 подачи субстрата.

Система работает следующим образом.

Сигналы от датчика 4 расхода воздуха на аэрацию и датчика 12 концентрации кислорода в выходящих газах поступают на блок 13, в котором текущая скорость потребления кислорода определяется по формуле

Qo2 Овозд. ( Со возд-Сод), (4)

где Qo2 скорость потребления кислорода;

Овозд. - расход воздуха на аэрацию;

Со2возд. концентрация кислорода в воздухе (величина постоянная);

Со„ концентрация кислорода в выходящих газах.

Сигнал текущей скорости потребления кислорода с выхода блока 13 поступает на блок 14 определения среднеинтегральной скорости потребления кислорода, а сигнал от датчика 8 расхода аммиачной воды - на блок 16 определения среднеинтегральной скорости подачи аммиачной воды. В блоках 14 и 16 происходит суммирование момент- ных значений входных сигналов за заданный период времени и деление сигналов интегральной суммы на длительность периода интегрирования. Период интегрирования выбирается таким, чтобы сглаживать нестационарность текущих измерений. Сигналы с выходов блоков 14 и 16 поступают на блок 15 деления. Работой блоков 14 и 16 управляет блок 20 синхронизации, который задает период интегрирования. После окончания этого периода блок 20 синхронизации формирует управляющий сигнал, по которому сигналы интегральных сумм в блоках 14

и 16 делятся на период интегрирования и подаются на блок 15 деления, а также осуществляется сброс блоков 14 и 16. Результат деления, который однозначно связан с удельной скоростью роста микроорганизмов /м - f ( Qo2/QAB ) (где QAB - скорость потребления аммиачной воды), с выхода блока 15 подается на блок 17 управления. Этот блок формирует управляющий сигнал согласно выражению

(Q°2/QAB-3aA-) (5) где Зад. - сигнал задания соотношения;

К - коэффициент усиления, который через блок 19 переключения подается на задающий вход регулятора 10 подачи субстрата. Сигналы задания соотношения Qo2 /QAB Зад и коэффициента усиления К вводятся в блок 17 управления через за- датчик констант блока. Коэффициент усиления подбирается по обычной методике отладки контуров регулирования. Согласно выражению (5) коэффициент усиления кор- регируется в зависимости от величины соот- ношения Qo2 /QAB, что значительно увеличивает качественные показатели контура стабилизации соотношения Qog /Одв, так как функциональная зависимость (Qo2/QAB) нелинейна. Блок 17 управления коррегирует задание регулятора 10 подачи субстрата, который управляет подачей субстрата, таким образом, чтобы поддерживать заданное соотношение Qo2 /QAB. Функциональная зависимость /л - f ( Qo2/QAB ) для данного процесса биосинтеза определяется заранее.

Логическое устройство 18 служит для защиты процесса от вымывания, когда по неизвестным причинам даже после увеличения скорости подачи субстрата удельная скорость роста не увеличивается. На логическое устройство 18 поступают сигналы средней скорости потребления аммиачной воды, соотношения Q02 /Одв и управления Упр. Работой логического устройства 18 управляет блок 20 синхронизации. Через дискретные интервалы времени, которые равны периоду интегрирования блоков 14 и 16 определения среднеинтегральной скорости потребления кислорода и аммиачной воды, в блоке памяти логического устройства 18 запоминаются значения входных сигналов и сравниваются с результатами предыдущего запоминания. Логическое устройство 18 анализирует результаты сравнения и управляет работой блока 19 переключения согласно правилам, представленным в табли це.

Если после увеличения скорости подачи субстрата скорость роста не увеличивается, 5 логическое устройство 18 включает сигнализацию о нарушении технологического регламента, а коррегирующий сигнал блока 17 управления инвертирует и подает сигнал на регулятор 10 субстрата. Таким образом,

) прикрывается подача субстрата, а одновременно уменьшается и проток через ферментер (в аппарате установлено переливное устройство для отвода культуральной суспензии), что предотвращает от начала вы5 мывания.

Предлагаемая система по сравнению с известной позволяет более точно поддерживать заданный режим биосинтеза в меняющихся условиях культивирования.

0 Стабилизация удельной скорости роста микроорганизмов обеспечивает эффективность использования питательных веществ и повышает выход биомассы.

Формула изобретения

5 Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая контуры регулирования подачи воды, питательных солей и субстрата, температуры, рН и

0 концентрации растворенного кислорода культуральной среды, датчики расхода аммиачной воды и воздуха на аэрацию, концентрации кислорода в выходящих газах, а также логическое устройство, отличаю5 щ а я с я тем, что, с целью повышения выхода биомассы, она снабжена последовательно соединенными блохами определения текущей и среднеинтегральной скорости потребления кислорода, деления,

0 управления и переключения, а также блоками определения среднеинтегральной скорости подачи аммиачной воды и синхронизации, при этом блок определения текущей скорости потребления кислорода

5 связан с датчиками концентрации кислорода и расхода воздуха, а датчик расхода аммиачной воды через блок определения среднеинтегральной скорости подачи аммиачной воды связан с блоком деления и логи0 ческим устройством, другие входы последнего связаны с блоками деления, управления и синхронизации, а выходы - с блоком переключения, выход которого соединен с задающим входом регулятора пода5 чи субстрата, причем блок синхронизации подключен к блокам определения средне- интегральной скорости потребления кислорода и аммиачной воды.

Выходящие

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для автоматического управления непрерывным процессом выращивания микроорганизмов. Цель изобретения - повышение выхода биомассы. Система осуществляет стабилизацию соотношения скорости потребления кислорода и аммиачной воды, которое однозначно связано с удельной скоростью роста микроорганизмов, путем управления подачей субстрата. Система содержит контуры регулирования подачи воды, питательных солей и субстрата, температуры, рН и концентрации растворенного кислорода куль- туральной среды, а также технические средства для стабилизации удельной скорости роста микроорганизмов. Кроме того, система посредством логического устройства осуществляет анализ динамики процесса биосинтеза и в неблагоприятных условиях выращивания предотвращает процесс от вымывания. Система позволяет более точно поддерживать заданный режим биосинтеза в меняющихся условиях культивирования. Стабилизация удельной скорости роста микроорганизмов обеспечивает эффективность использования питательных веществ и повышает выход биомассы. 1 табл. 1 ил.

Амниоч- ниявоЙа

ЦБ страт