Система автоматического управления концентрацией продукта на выходе колоночного биореактора при синтезе аминокислот Советский патент 1991 года по МПК G05D27/00 

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к управлению процессом биокаталитического синтеза аминокислот, и может быть использовано в технологии получения аминокислот химико-энзиматическим способом в химической и микробиологической промышленности

Цель изобретения - повышение продуктивности биокатализатора.

Изобретение заключается в следующем.

Технология требует, чтобы из стадии би- окаталитического синтеза аминокислот на последующие стадии подавался раствор, в котором концентрация продукта была постоянной. Известно, что биокатализатор имеет свою оптимальную рабочую температуру, при которой обеспечивается максимальная скорость реакции синтеза. Однако старение биокатализатора приводит к заметному падению его активности и стабильности, вследствие чего концентрация продукта на выходе биореактора уменьшается.

Скорость реакции можно увеличить, повышая температуру, что ведет к изменению рН в биореакторе. Связь между температурой и рН является прямолинейной и для каждого биокатализатора определяется экспериментальным путем. Однако повышение

о со

О Ј

ю

температуры негативно действует на активность и стабильность биокатализатора - резко ускоряется процесс старения.

С другой стороны, при синтезе аминокислот во время реакции изменяется рН реакционной среды из-за разности констант ионизации ионогенных групп субстрата и продукта, что позволяет найти зависимость между концентрацией образовавшегося продукта и изменением рН среды.

Таким образом, определяется связь между температурой, рН на входе и выходе биореактора и концентрацией продукта на выходе биореактора.

Алгоритм управления процессом составлен исходя из вышеупомянутых соображений.

В начальном этапе управление концентрацией продукта на выходе биореактора ведется при оптимальной температуре путем измерения рН на выходе биореактора и соответственным продлением времени контактирования субстрата с биокатализатором, т.е. уменьшением скорости подачи субстрата в биореактор. Субстрат подается с постоянным рН.

Концентрация продукта на выходе биореактора должна изменяться в узком диапазоне, поэтому можно написать

р а0 + ait,

где р - концентрация продукта;

t - время контактирования субстрата с биокатализатором (время реакции);

а0, ai - коэффициенты (определяется экспериментально).

Аналогично

Н Ьо + Ьф,

где Н-рН на выходе биореактора;

bo.bi - коэффициенты (определяется экспериментально).

Время реакции и линейную скорость подачи субстрата в биореактор в каждый момент времени можем описать

V0to ... Viti ... L,

где Л- линейная скорость подачи субстрата в биореактор;

L - длина биореактора.

Коэффициент изменения скорости подачи субстрата можно определить, формулу (1) вставляя в (2) и взяв соотношение из формулы (3)

Vi KV|-i,

К

Hi-i + Ci Hi-i +Ci

(5)

Ci -bo- a0bi,

(6)

10

15

20

25

30

35

40

50

55

45

где I - момент измерения.

Уменьшать скорость подачи субстрата из-за технологических требований целесообразно до определенной величины, достигнув которую система переходит к второму этапу управления.

В этом этапе стабилизируется подача субстрата на достигнутом уровне, а температура изменяется так, чтобы измеренное рНэ достигло высчитанное теоретическое рНт, что в свою очередь соответствует стабилизации концентрации продукта на выхо- Д( биореактора.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемой схемы.

Система автоматического управления концентрацией продукта на выходе биореактора 1 содержит датчик 2 рН, подключенный через рН-метр 3 к фильтру 4 низкой частоты (ФНЧ), который через реле 5 и блок 6 подсчета изменения скорости подачи субстрата соединен с первым регулятором 7, управляющим исполнительным механизмом 8, установленным на линии подачи субстрата.

Расходомер 9 соединен с вторым регулятором 10, который подключен к реле 5, и с задатчиком 11.

Датчик 12 измерения температуры через вторичный прибор 13 и блок 14 подсчета теоретического рН подключен к блоку 15 сравнения, к которому подключено реле 5. Блок 15 сравнения подключен к третьему регулятору 16, управляющему исполнительным механизмом 17, установленному на линии подачи горячей воды в контур термостатирования биореактора.

Блоки 6, 14 и 15 выполнены на микропроцессорах.

Перед запуском технологического процесса надо экспериментально установить или использовать литературные данные для определения прямолинейных коэффициентов для блока б (используется конечный линейный участок зависимости концентрации продукта на выходе биореактора от времени и изменение рН от времени) и блока 14 (зависимость рН от температуры), а также установить задатчик 11, определяющий, до какого уровня целесообразно уменьшать количество подаваемого субстрата. Субстрат в биореактор подается с постоянным рН.

Система работает следующим образом.

При проведении реакции синтеза аминокислот сигналы от рН-метра 3 через ФНЧ А и замкнутые контакты реле 5, подаются в блок 6 для подсчета коэффициента изменения скорости подачи субстрата. В соответствии с сигналом, полученным из блока 6 первый регулятор 7 формирует управляющий сигнал исполнительному механизму 8, который регулирует скорость подачи субстрата в биореактор. Вследствие этого рНэ поддерживается заданной величины и на выходе колоночного биореактора концентрация продукта стабилизируется.

Когда скорость подачи субстрата, измеряемая расходомером 9, станет меньше заданной, третий регулятор 10 формирует сигнал реле 5, который переключает свой контакт и сигнал от рН-метра 3 подается в блок 15 сравнения. С этого момента включается контур управления процессом по температуре, а скорость подачи субстрата стабилизируется на достигнутом уровне.

Сигнал от температурного датчика 12 через вторичный прибор 13 подается на блок 14 подсчета теоретического значения рН, из которого попадает в блок 15 сравнения. В блоке 15 сравнения сравнивается теоретическое значение рНт с измеренным рНэ. Когда измеренное рН-метром 3 рНэ начинает уменьшаться, в блоке 15 сравнения получаем разницу между сигналами рНэ и рНт, вследствие чего вырабатывается вторым регулятором 16 управляющий сигнал для исполнительного механизма 17, изменяющего температуру в рубашке биореактора 1, Повышая температуру повышается и активность биокагализатора, вследствие чего меняется концентрация продукта на выходе биореактора 1. Из-за повышения температуры изменяется рНа аминогрупп субстрата и продукта, а вследствие этого - показания рН-метра 3 и, следовательно, рНэ. Сигнал от датчика 12 температуры через вторичный прибор 13 подается в блок 14 подсчета теоретического значения рН, в котором подсчитывается новое рНт, учитывающее изменившуюся температуру.

Таким образом, повышение температуры ведется до совпадения рНэ и рРт, что позволяет добиться постоянной заданной концентрации на выходе биореактора.

Процесс является инертным, потому повышение температуры производится очень медленно.

Испытание предлагаемой системы в лабораторных условиях показало, что продуктивность биокатализатора повысилась на

7%.

Формула изобретения Система автоматического управления концентрацией продукта на выходе колоночного биореактора при синтезе аминокислот, включающая последовательно соединенные датчик рН, рН-метр, фильтр низкой частоты, реле, блок подсчета изменения скорости подачи субстрата в биореактор, первый регулятор и исполнительный механизм, установленный на линии подачи субстрата, отличающаяся тем, что, с целью повышения продуктивности биокатализатора, она содержит контур регулирования температуры вторичного прибора, блока подсчета теоретического значения рН, блока сравнения, второго регулятора и исполнительного механизма, установленного на линии подачи горячей воды, а также

последовательно соединенные задатчик, третий регулятор и расходомер, установленный на линии подачи субстрата, причем выход третьего регулятора соединен с реле, нормально разомкнутые контакты которого

подключены к блоку сравнения, и блок подсчета изменения скорости подачи субстрата, вход которого соединен через нормально замкнутые контакты реле с выходом фильтра низкой частоты, а выход - с

входом первого регулятора.

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к управлению процессом биокаталитического синтеза аминокислот, и может быть использовано в технологии получения аминокислот химико энзиматическим способам в химической и микробиологической промышленности. С целью повышения продуктивности биокатализатора, система автоматического управления включает датчик рН на выходе биореактора, подключенный через рН-метр, фильтр низкой частоты и блок подсчета изменения скорости подачи субстрата к регулятору рН, управляющему исполнительным механизмом на линии подачи субстрата. Система также содержит рас- ходомер на линии подачи субстрата, подключенный к регулятору, управляющему реле, которое включает контур регулирования температуры биореактора, а также датчик температуры, который подключен через вторичный прибор и блок вычисления теоретического рН значения к блоку сравнения, из которого сигнал поступает в регулятор, управляющий исполнительным механизмом, установленным на линии подачи горячей воды в контур термостатирования биореактора, 1 ил. (Л С