Способ автоматического управления биотехнологическим процессом Советский патент 1993 года по МПК C12Q3/00 

Изобретёние относится к микробиологической промышленности и может быть использовано при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнологическим процессом в биореакторе.

Предложенный способ может быть применен для управления биотехнологическими процессами, использующими микроорганизмы, способные производить и потреблять промежуточный продукт жизнедеятельности, такие как

Saccharomyces cerevlslae. Candida utills, Escherichia coli, Zymomonas, Acetobacter, Streptococcus, Leuconostqc, Lactobaclllus и ДР/ v ;:.:..- .; - Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к предлагаемому является способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, заключающийся в том, что измеряют содержание кислорода в отходящих газах и рабочий объем культуральной среды, определяют удельную скорость роста микроорганизмов и регулируют подачу воздуха на аэрацию и подачу питательной среды с учетом удельной скорости роста микроорганизмов.

Недостатком способа является низкий выход целевого продукта из-за отсутствия оценки текущего типа метаболизма микроорганизмов по концентрации и скорости изменения концентрации промежуточного продукта жизнедеятельности и удельной, скорости потребления кислорода и соответ- ствённо невозможности выдачи корректного управляющего воздействия, а также отсутствия регулирования скорости перемешивания культуральной среды.

Целью изобретения является увеличение выхода целевого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического управления биотехнологическим процессом предусмотрено измерение содержания кислорода в отходящих газах и рабочего объема культуральной среды и регулирование подачи воздуха на аэрацию и подачи питательной среды. Отличием является то. что дополнительно измеряют концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности микроорганизмов и концентрацию биомассы и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода, сравнивают с максимальным значением, устанавливают знак скорости изменения концентрации промежуточного продукта и регулируют скорость перемешивания куяь- туральной среды, при этом регулирование прдачи воздуха на аэрацию и скорости перемешивания культуральной среды осуществляют в зависимости от отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения в случае снижения удельной скорости потребления кислорода ниже максимального значения и при положительной скорости изменения концентра- : ции промежуточного продукта, а регулирование подачи питательной среды осуществляют в зависимости от отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения при достижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной Скорости изменения концентрации промежуточного продукта. При этом заданное значение концентрации промежуточного продукта выбирают равным значению, соответствующему максимальному выходу целевого прб- дукта при заданном его качестве.

В ходе биотехнологического процесса возможно возникновение различных технологических нарушений, приводящих к падению выхода целевого продукта (биомассы, аминокислоты, антибиотика, уксусной кислоты и т.п.). Измеряя концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности (например, этанола при выращивании хлебопекарных дрожжей) и удельную скорость потребления кислорода, можно однозначно определить тип технологического наруше0 ния и выдать соответствующее управляющее воздействие.

Обоснование необходимости введения отличительных признаков:

измерение концентрации биомассы не5 обходимо для расчета удельной скорости потребления Кислорода;

измерение концентрации промежуточного продукта жизнедеятельности микроорганизмов необходимо для определения

0 типа метаболизма микроорганизмов с целью идентификации типа технологического нарушения;

расчет удельной скорости потребления кислорода необходим для определения ти5 па метаболизма микроорганизмов с целью идентификации типа технологического нарушения;

регулирование скорости перемешивания культуральной среды в зависимости от

0 отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения необходимое целью достаточного насыщения культуральной среды кислородом;

выбор заданного значения концентра5 ции промежуточного продукта необходим для учета ограничений на качество целевого продукта.

Аналоги, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляе0 мое решение от прототипа, не обнаружены. Предлагаемое решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг.1 представлена схема устройства для осуществления предложенного спо5 соба управления биотехнологическим процессом; на фиг.2-б представлены временные диаграммы, описывающие изменение концентрации промежуточного продукта Y в культуральной среде, удельной скорости

0 потребления кислорода U и параметров программ управления подачей воздуха на аэрацию (т), скоростью перемешивания (к) и подачей питательной среды (п) во времени. Устройство для осуществляется автома5 тичеекого управления биотехнологическим процессом содержит датчик 1 концентрации кислорода в отходящих из биореактора 2 газах, датчик 3 рабочего объема культуральной среды в биореакторе 2, датчик 4

концентрации промежуточного продукта в

культуральной среде, датчик 5 концентрации биомассы в культуральной среде и задающий блок 6, выходы которых соединены с входами микропроцессорного блока уп- равления.7. Сигналы с выходов блока 7 подаются на входы исполнительных механизмов 8, 9, 10 и 11, расположенных соответственно в линии подачи в биореактор 2 питательной среды, на валу перемешивающего устройства, в линии подачи воздуха на аэрацию и в линии отвода культуральной среды из биореактора 2 на сепарацию.

Способ осуществляют следующим образом.

С началом технологического процесса в биореакторе 2 на его входы непрерывно подают воздух на аэрацию, питательную среду и осуществляют перемешивание культуральной среды в соответствии с программами изменения управляющих воздействий во времени, заложенными в микропроцессорном блоке 7:

Fa Z1 exp (m t); (1)

w Z2 exp (k t); (2)

Fs Z3 exp (n t), (3) где Fa - объемный расход воздуха; . w - скорость вращения мешалки;

Fs - объемный расход питательной среды; .

Zi-Zs - константы;

.т, к, n - корректируемые параметры;

t - текущее время с начала процесса в биореакторе 2.

Сигналы, соответствующие управляющим программам (1), (2) и (3), подаются с выходов блока 7 на входы исполнительных механизмов 8, 9 и 10. На основе информации с датчиков рабочего объема 3 концентрации биомассы 5 и концентрации кислорода 1, а также расчетного значения F3 (по зависимости (1)) рассчитывают удельную скорость потребления кислорода:

U

. Fa(21 -C)q 100XV

(4)

где С - объемная концентрация кислорода в отходящих газах;

q - плотность атмосферного воздуха;

21 -объёмная концентрация кислорода в воздухе;

X - концентрация биомассы;

V - рабочий объем культуральной среды.

При отказе датчика концентрации кислорода 1 удельную скорость потребления кислорода рассчитывают по формуле:

U Ki + «2 (d (VX)/dt)/(VX); (5)

если U Umax, TO U Umax,

где Ki, K2 - константы.

В задающий блок 6 закладывают и хранят в нем значения всех констант, максимальное значение удельной скорости 5 потребления кислорода Umax и заданное значение концентрации промежуточного продуктаУ. В ходе предварительных экспериментов выбирается значение , соответствующее максимальному выходу биомассы 0 (так как биомасса способна одновременно расти на основном субстрате и промежуточном продукте), при котором еще не происходит заметного ингибирования роста биомассы и биосинтеза целевого продукта 5 и снижения качества целевого продукта. Величины Umax иҐявляются характеристиками конкретной культуры.

На основе сигнала сдатчика 4 концентрации промежуточного продукта У и скоро- 0 сти его изменения dY/dt, а также результатов сравнения величин U и Umax, V иҐв микропроцессорном блоке управления 7 осуществляют коррекцию управляющих программ (1), (2) и (3) в соответствии с алго- 5 ритмом:.

Delta Y-Ґ; d/dt Delta dY/dt; если dY/dt 0 и U Umax, то m rn + A1 dY/dt + A2 Delta; (6) 0 если. dY/dt 0 и U Umax, . то k k + A3 dY/dt + A4 Delta;

если dY/dt 0 и U Umax или dY/dt 0,

то n h - A5 dY/dt - A6 Delta, 5 где Ai-Ae- константы.

При отказе датчика 1 величина U определяется по формуле (5), При отказе хотя бы одного из датчиков 3 или 5 невозможно определить величину U по зависимости (4) или 0 (5). Тогда микропроцессорный блок управ- . ления осуществляет управление по другому алгоритму:

Delta Y-Ґ; d/dt Delta dY/dt; 5 n n - A5 dY/dt - A6 Delta;

если dY/dt 0, то m m + A1 dY/dt + A2 Delta; (7)

если dY/dt 0, то k k + A3 dY/dt + A 4 Delta. 0 Теоретическое обоснование алгоритма управления (6) основывается на следующих особенностях метаболизма микроорганизмов:

- состояние A dY/dt 0 и U Umax 5 соответствует передозировке питательной среды и возникновению аэробного брожения;

- состояние Б: dY/dt 0 и U Umax соответствует недостаточной подаче воздуха и скорости перемешивания и возникновению анаэробного брожения;

- состояние В: dY/dt 0 соответствует недостаточной подаче питательной среды и возникновению субстратного голодания;

- состояние Г: dY/dt 0, Delta 0 и U Umax соответствует максимуму выхода целевого продукта при заданном его качестве (поддержание этого состояния и обеспечивает алгоритм (6)).

На.фиг.2-6. представлены все ситуации, возможные в ходе управления биотехнологическим процессом. Отрезки АВ и EF соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии, Б. Отрезки ВС соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии А. Отрезки CD и FG соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии В. Отрезки DE-, GH и LM соответствуют состоянию Г. В точке Н произошел отказ одного из датчиков 3 или 5 и управление передано алгоритму (7). Ситуация, соответствующая отрезкам НК, неопределенна - это либо состояние А, либр состояние Б. Поэтому алгоритм (7) кбрректируёт всё управляющие программы (1)-(3). Погрешность алгоритма (7) обусловлена неоднозначностью возникающих ситуаций.

По окончании процесса в биореакторе 2 микропроцессорный блок управления 7 подает сигналы на прекращение аэрации, подачи питательной среды и перемешивания (исполнительные механизмы 8, 9, 10), а также сигнал на исполнительный механизм 11 на подачу культуральной среды на сепарацию.: ,

Предложенный способ позволяет увеличить выход целевого продукта на 5,4% при гарантированном его качестве.

Формула изобретения Способ автоматического управления биотехнологическим процессом, предусматривающий измерение содержания кислорода в отходящих газах и рабочего объема культуральной среды и регулирование подачи воздуха на аэрацию и подачу питательной среды, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта,

измеряют концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности микроорганизмов и концентрацию биомассы и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода, сравниваюте максимальным значением, устанавливают знак скорости изменения концентрации промежуточного продукта и регулируют скорость перемешивания культуральной среды, при этом регулирование подачи воздуха

на аэрацию и скорости перемешивания культуральной среды осуществляют в зависимости от отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения в случае снижения удельной скорости потребления кислорода ниже максимального значения и при положительной скорости изменения концентрации промежуточного продукта, а регулирование подачи питательной среды осуществляют в зависимости

6т отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения при достижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концентрации промежуточного продукта, причем задан ное значение концентрации промежуточного продукта выбирают равным значению, соответствующему максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве.

на сепарацию

Использование: в микробиологической промышленности, а именно, при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнолргическим процессом в биореакторе. Сущность: способ автоматического управления биотехнологйческим процессом предусматривает измерение -концентрации побочного продукта и управление подачей питательной среды в зависимости от величины отклонения концентрации побочного продукта от заданного значения, а также управление скоростью перемешивания культуральной среды, отличающий с я тем, что, с целью увеличения выхода целе.вого продукта, измеряют концентрацию биомассы, концентрацию кислорода в отходящих газах, рабочий объем культуральной среды и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода, при снижении скорости потребления кислорода ниже максимального значения и при положительной скорости изменения концентрации побочного продукта в зависимости от отклонения концентрации побочного продукта от заданного значения осуществляют управление подачей воздуха на аэрацию и управление скоростью перемешивания культуральной среды, а при достижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концентрации побочного продукта осуществляют управление подачей питательной среды, причем заданное значение концентрации побочного продукта изменяют по программе, соответствующей максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве, а выращивание посевного материала заканчивают при достижении максимально возможной удельной скорости протока культуральной среды в биореакторе. 6 ил, И VI 00 О О ч4 ГО

ФИГ. 1.

ФИГ. -2.

Umax

В

vy

D

ФИГ. 3.

ФИГ. 4.

в

D

Фиг. 5.

G

Н

К

м

Q

Н