Способ автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов Советский патент 1992 года по МПК C12Q3/00 

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам управления процессами непрерывного культивирования микроорганизмов, например кормовых дрожжей,

Цель изобретения - повышение точности регулирования и экономия расхода питательной среды.

Способ автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов заключается в том, что измеряют концентрацию растворенного кислорода в ферментере, а регулирование расходов воздуха на аэрацию и питательной среды с коррекцией расхода аммиачной воды и хладагента осуществляют по описанию удельной скорости микроорганизмов с помощью адаптивной модели

Предлагаемый способ автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов реализуется устройством с использованием штамма Candida robusia ЯЮ-6 в ферментере.

Устройство автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов содержит датчики для измерения температуры, рН, концентрации ингибитора, растворенного кислорода и субстрата, уровня питательной среды, выходы которых через преобразователи сигналов подключены к вычислительному устройству, состоящему из блока реализации адаптивной модели и блока обработка управляющих сигналов, соединенных с задающими входами регулятора подачи субстрата, воздуха, аммиачной воды и хладагента.

В блок реализации адаптивной модели закладывают математическое описание

VI

4 Ч 4 Ю ГО

процесса и необходимые условия и режимы культивирования микроорганизмов.

Далее ферментер заполняют культу- ральной средой с микроорганизмами и начинают процесс выращивания. В процессе выращивания температуру в аппарате поддерживают на заданном уровне с помощью контура регулирования температуры, подключённого на вход регулятора, который после сравнения текущего и заданного значений температур вырабатывает сигнал регулируемого воздействия, управляющего механизмом нгГ литйии подачи хладагента, подаваемого в охладительную рубашку.

Измерение кислотности в аппарате воспринимается датчиком рН, включенным на выход регулятора, который в зависимости от отклонения рН в ту или иную сторону подает сигнал на исполнительный механизм подачи аммиачной воды.

Уровень культуральной среды в аппарате контролируется датчиком, сигнал от кото- рого поступает на регулятор, воздействующий на исполнительный механизм, установленный на линии подачи воздуха нэ аэра цию.

Вычислительное устройство реализует следующие операции.

По текущим значениям Т, рН, S. I, Со2 Vs, H. поступающим в вычислительное устройство с дэтчиков,производится вычисление удельной скорости роста микроорганизмов1

ftmS . Со2 . fi Ks + S К02 + С02 К| + I вХР (PH-PHopt)2(T-Top,)2

Is2л21 ч Ч

5рНOJ

где fim - максимальная удельная скорость роста, ч ;

Ks - субстратная постоянная, г/л,

S - концентрация субстрата в аппарате;

Ко2 константа по кислороду, г/л; концентрация растворенного кислорода в аппарате, г/л;

I - концентрация ингибитора, г/л;

К| - коэффициент насыщения, г/л;

рН, pHopt, T, T0pt - показатели водородных ионов, температуры и их оптимальные значения, соответствующие ед рН и С°.

5рн , т - величины интервалов варьи- оования показателя водородных ионов и температуры соответственно, ед рН и С°

Скорость разбавления среды в аппарате определяется по формуле

где Vs - расход субстрата, м3/ч,

0

5

0

5

0

Н - уровень культуральной среды в аппарате, м;

Q - сечение аппарата, м2.

Значение Q и начальные значения коэффициентов уравнения (1) вводятся в блок реализации адаптивной модели вычислительного устройства перед началом процес- са, и происходит их коррекция в зависимости от текущих значений /г, рН, Т, S, Со2 , I, V, Н. В блоке обработки управляющих сигналов вычислительного устройства производится определение оптимальных значений /г , рН, Т, S, Со2 и соответствующие задания регуляторам этих показателей. Корректируемая величина для расхода определяется по формуле

AVs()H-Q.(3)

При расходе кислорода важное значение имеет концентрация микроорганизмов в аппарате, которая определяется по формуле

Х Х0е(- .(4)

Необходимая скорость потребления растворенного кислорода, расходуемого на рост и поддержание жизнедеятельности рассчитываемой концентрации дрожжевых культур, определяется по следующей формуле

dCo2

dt

(ац + m)X

(5)

5

0

5

0

5

где Со2 количество кислорода, потребленного на рост дрожжевой массы, г/л;

а - коэффициент, учитывающий часть расхода кислорода на рост единицы дрожжей, г/л;

m - константа.

Расход воздуха, подаваемого в аппарат, определяется по величине уровня питательной среды и величине рассогласования Утек и Vpac в аппарате по формуле

Vo6ut K-Q-H + Vpac-VTeK,(6)

где К - коэффициент пропорциональности, ч ;

г

Утек -текущий расход воздуха м /ч;

Vpac - расход воздуха, определяемый согласно рассчитываемого значения С02 в аппарате по формуле (5).

Экспериментально установленная зависимости между расходом воздуха и вели- чиной растворенного кислорода для соответствующих условий культивирования заранее в виде табличных значений вводится в память вычислительного устройства По этой зависимости определяется Vpac соответствующий величине Со2 , по которому вычислительное устройство вырабатывает

управляющий сигнал и осуществляет корректировку расхода воздуха по формуле (6).

Данный способ позволяет своевременно и оптимально регулировать микробиологическим процессом,когда устанавливается математическая функциональная зависимость в виде (1) и основные параметры процесса контролируются без случайных помех.

Пример. Данный способ реализован в опытном ферментере объемом 1 м3. При расчете по уравнению оптимальные значения переменных принимали следующие значения: .31 рН 4,1; Т 37°С; S 1,6 г/л: Со2 6 мг/л. Корректируемая величина расхода питательного субстрата колебалась в пределе AVS 20-50 л/ч, а расход воздуха на аэрацию принимал значения из интервала У0бщ 20-30 м3/м3,ч. В результате использования адаптивной модели расход питательной среды в среднем уменьшился со 180 до 164 л/г при текущем рабочем объеме 700 л. Точность регулирования расхода воздуха на аэрацию в среднем составляет 6-8%.

0 5

5

0

Формула изобретения Способ автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов, предусматривающий определение удельной скорости роста микроорганизмов в аппарате регулирования подачи аммиачной воды, хладагента, питательного субстрата и воздуха, поступающего на аэрацию, отличающийся тем, что, с целью экономии расхода питательного субстрата (среды), измеряют концентрацию растворенного кислорода в аппарате, а удельную скорость роста микроорганизмов корректируют в зависимости от концентрации растворенного кислорода, при этом определяют оптимальные значения удельной скорости роста микроорганизмов, рН и температуры в аппарате, концентрации субстрата и растворенного кислорода и в зависимости от оптимальных значений параметров рассчитывают соответствующее задание для регулирования подачи аммиачной воды, хладагента, питательного субстрата и воздуха, поступающего на аэрацию.

Использование: микробиологическая промышленность, в частности производство кормовых дрожжей. Сущность: способ автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов предусматривает регулирование расходов питательной среды, аэрирующего газа, хладагента, аммиачной воды и их коррекцию путем реализации адаптивной модели, а также измерение концентрации растворенного кислорода в ферментере, а регулирование питательной среды с коррекцией расхода аммиачн ой воды, хладагента и воздуха на аэрацию осуществляют в зависимости от удельной скорости роста микроорганизмов.