Способ автоматического управления процессом культивирования дрожжей Советский патент 1993 года по МПК C12N1/18 

Предполагаемое изобретение относится i микробиологической промышленности, в частности к производству хлебопекарных дрс ж.жей.

С целью, достижения оптимального уро|вня экономического эффекта и скорости роста подачу углеводного питания обычно осуществляют в зависимости от одного или нескольких параметров процесса: величины дыхательного коэффициента - RQ, скорости потребления кислорода - Qo2- уровня эталона в культуральйой жидкости или отработанном газе.

Известны способы управления процессом ферментации хлебопекарных дрожжей, осНованные на поддержании дыхательного коэффициента на определенном уровне

Согласно другому способу оптимальное- управление культивированием хлебопекарных дрожжей осуществляют при помощи 3-х параметров: дыхательного коэффициента, скорости потребления кислорода и концентрации остаточного субстрата.

Существуетспособ управления ферментацией дрожжей, основанный на по ддержа- нии концентрации этанола в культуральной жидкости или отработанном газе на заданном уровне.

В основу on-line оптимального контроля для полунепрерывного культивирования дрожжей положены также концентрация биомассы и удельная скорость роста, определяемые по балансовым и кинетическим уравнениям, введенным в форме стехиомет- рических зависи мостей.

v| Ю Ю Ю V4 О

Все известные способы имеют, недостатки. Способы управления процессом, основанные на поддержании RQ на заданном уровне обеспечивают у дрожжей, подверженных действию глюкозного эффекта, в частности S. cerevisiae, максимальный выход биомассы, но производительность при этом невысока.

Применение способа управления на основании скорости потребления кислорода, QO2 и концентрации субстрата требует дополнительного .определения еще 4-х параметров: РОа, концентрации СО и 02 в отработанном газе и концентрации остаточ-,, ного сахара. Этот способ обеспечивает высокий выход биомассы в пределах низких концентраций дрожжей, не выше 70 г/л и не более 0,22 ч. В периодической культуре дрожжей невозможно определить остаточный сахар, т. к. его количество близко к 0...

Способы,основанные на поддержании концентрации этанола на определенном уровне не осуществимы в промышленных условиях, т. к, для постоянного определения концентрации этанола требуются чрезвычайно сложные и дорогостоящие газовые хроматографы индивидуально на каждый дрожжерастйтельный аппарат. .

Способы, основанные на определении биомассы косвенными методами по кинетическим и стехиометрическим уравнениям ненадежны из-за нелинейности кинетических характеристик процесса с притоком питательной среды, и как следствие, неточности определения биомассы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ управления процессом культивирования. .

По этому Способу дозировку углеводного и минерального питания осуществляют в расчете на предполагаемый прирост биомассы, который рассчитывают за весь цикл при разных засевах и скоростях роста. Недостатком известного способа является то, что во-первых коэффициент прироста за предыдущий час механически закладывается в расчет дозирования питания на следующий час, что не соответствует реальной кинетике данного параметра (коэффициента часового прироста); во-вторых, предлагаемый способ управления не является гибким, так как привязан к графикам часового прироста дрожжей, составляемых для всего цикла при разных величинах засева и скорости роста; в-третьих, способом не предусматривается увеличение продуктивности процесса, а только выхода на 12%,

причем автор не указывает по сравнению с

каким выходом происходит это увеличение.

Автор также не упоминает о добавке

биотина (или детиобиотина), правильно полагая, что это естественным образом подразумевается, так как без добавления этого витамина становится бессмысленным управление процессом культивирования пекарских дрожжей. В предполагаемом же

изобретении предусматривается дозирова- ние витамина в количествах, строго необходимых для прироста биомассы, при этом также учитывается высокая стоимость био: тина или его предшественника - детиобиотина.

Цель изобретения - увеличение продуктивности процесса и экономического коэффициента использования субстрата до значений, близких к теоретически максимальным в данных условиях.

Поставленная цель достигается за счет того, что дотирование углеводного и минерального питания осуществляют в зависимости от концентрации биомассы, ее

количества в аппарате и экономического коэффициента использования субстрата, полученных к данному моменту времени. Сведения о подобном подходе к автоматическому управлению процессом культивирования в научной и патентной литературе отсутствует. .

Сущность способа заключается в том, что с любым постоянным интервалом времени, но не более часа, определяют концентрацию биомассы, ее количество в аппарате и выход к данному моменту времени, а до- зирование углеводного питания осуществляют в расчете на максимально возможную в данных конкретных условиях скорость роста биомассы, которая.является параболической функцией концентрации дрожжей, максимальный выход достигается за счет того, что при расчете дозы питания на последующий интервал времени из этой дозы вычитается количество неутилизированного к моменту измерения субстрата.

Расчет дозировки углеводного и минерального питания производится по следующим алгоритмам:

QW + V(Gr, - Ci) А). )Лг- 1 CiVi -0-уО S Qi}K

0).

55

где qi+1 - количество раствора мелассы, которое необходимо подать в течение интервала времени Дг т, следующего за моментом последнего измерения - TJ (tj можно придавать значения от 0,1 до 1 Ч

Cm - максимально возможная в данном аппарате концентрация биомассы; , Ci - текущая концентрация клеток;

А - коэффициент пропорциональности между скоростью прироста биомассы - а и

ее

концентрацией - С:

а f(C), где f - параболическая функция:

+ V(Cm - С,) А )Лг

Чи

сленное значение А определяется при

следующих условиях:

.1 0;. .; - ; ; .. Дт Г|+1-Т| 1 ч; , Cm - определяется экспериментально; Ci Со начальная концентрация биома

;сы;

да

тн

1яется экспериментально;

«1+1 а - начальный коэффициент ча- сомого прироста, величина которого опре.А .

1

. --,. - .:. т. °

vi - объем культуральной жидкости в момент измерения концентрации клеток;

2 Qi - масса израсходованной стандар- й мелассы ко времени измерения -

yi - выход или экономический коэффи- ;нт использования субстрата к моменту 5мени т ;

ци epi

yi

Ci УГ - Со VQ 23:

-CoVo mBD-2 Bi.;(4) где PH-I, Nj+1, Б|+1 - количество фосфор-, азотсодержащего компонента и биотина (или детиобиотина), которые необходимо подать в течение интервала времени r ri+1-ri;

mp , ты , ЛПБ° - необходимое содержание в дрожжах (в массовых долях) F20s, азо- та и витамина, соответственно;

трк, тмк - массовая доля P20s и азота в дозируемых фосфор- и азотсодержащих компонентах;

тмР массовая доля азота в дозирую- щем фосфорсодержащем компоненте (в случае использования диаммоний фосфата в качестве источника фосфора);

X PI, X NI, 21 Б| - количества израсхо- дованных фосфор-, азотсодержащих компонентов и витамина, соответственно, ко времени измерения - т, Пример,

Дрожжи выращивают в лабораторном ферментере общим объемом 3 л. Приток уг- леводного и минерального питания осуществляют по описанным алгоритмам, Исходные данные для расчета дозировки углеводного питания:

Со 30 г/л; Cm. 200 г/л; он 1,30 г/г ч; V0 1 л; Аг 1ч

v0 - начальный объем культуральной жидкости;

К - коэффициент перерасчета массы стандартной мелассы на объем раствора натуральной мелассы:

ев

d cb

46 сах

СВ и Ј;ах - содержание сухих веществ и сбраживаемых Сахаров (в %) в натуральной мелассе;

d и со - плотность и содержание сухих

ве

деств в растворе мелассы.

46 - содержание сбраживаемых сахароз в стандартной мелассе (в %)...

Pi+1 {(1 + V(Cm Ci)A)Ar CiVi- - - mpK 2 Pi)

mp

(2)

NH-I {(1 + Qri-cOA) CiVi - - - (mNK 2 NI + mNP 2 p + + тммел 2Qi)}1/mNK(3)

БМ (1 + (Cm Ci) А У CM (1.30-1)2,5294 4. 200-30 U

К

78

,658 см3/г.

1,1764-40 46 В конце 4-го ч культивирования получены следующие данные:

С4 69,6 г/л; V4 1,15 л,-См 62.5 г;

69,6 1,15-30,1 nQ

, У .,...62.5---- ° 8 Подставив эти данные в формулу (1), узнаем, какое количество мелассы следует добавить в течение 5-го часа культивирования:

45

Q5 1 + 4200 - 6,96)5,29 69,6х . х 1,15-(1-0,8) 62,5 8,5 г мелассы или 8,5x1,658 14,09 15 мл р-ра мелассы. Исходные данные для расчета до- 50 зиррвки минерального питания и биотина:

тр° 0,0065; .фас.) 0|50; mrgD 0,018-

mi/ 0,21: mNp 0,19; тымел 0,003; 55 ГЛБ° 2,5

За 4.часа культивирования израсходовано: мелассы .62,5 г диаммонийфосфата 0,7 г сульфат ам мония 3,0 г биотина 1,3 .

Подставив указанные данные в формулы (2) - (4), получим кол-во солей и биотина, которые необходимо израсходовать в течение 5-го часа культивирования: диаммонийфосфата Р5 {(1 + V(200 - 69,6) 5,29 ) х

х69,6 1,15-30,1 0,0065-0,5 -0,7} -

и,5

0,22 г

сульфата аммония N5 {(1 + V(200 - 69,6) . 5,29 )х

х69,б 1,15-30,1 -0,(0,21 :3 + + 0,19 -0,7 + 0,003 -62,5)} 7гтгт 4,5г

биотина 0,21

ББ (1 + 4200 - 69,6) 5,29 х69,6 1,15-30 -2,5 ,3

л с . ,. .......

0,5 - КГ г

г, еТаким образом, предлагаемый способ

В конце культивирования концентрация би-25 является новым и полезным. .

омассы 200 г/л. Среднее время генерации ..,.

Ф о р м у ла изобретения Способ автоматического управления процессом культивирования дрожжей путем изменения подачи углеводного и мине- рального питания, отличающийся тем, что, с целью сокращения ёременй процесса культивирования и увеличения выхода, дополнительно вводят витамины, при этом количество вводимого углеводного и минерального питания витаминов определяют по следующим формулам:

ям - {(1 +. (Gn-COA))- 1 CiVi -o-yO Е йак, ; -....-..

Рм - {(1 (Gn-COA) CiVi - - - трк 2 Pi}

ГПр

Ni-ы {(1 + (Gn -COA) CiVi - ,ND - (mNK 2 N + mN.P 2 pi + + тммел 2Qi)}1/mNK,

Bi+1 (1 + V(Gn Ci) А У CiVi -CoVo mBD--E Bi,

3,3.5 часа при кратности разбавления мелассы 1:5,6. Экономический коэффициент утилизации субстрата 1,06 г дрожжей/г мелассы.

Пример 2. Процесс ведется в промышленном ферментере общим объемом 60 м3. Начальная концентрация 10 г/л, к концу процесса 93 г/л, экономический коэффициент утилизации мелассы 1,0 (100%), среднее

время генерации 3,15 часа.

Сопоставление.предлагаемого способа с известными показывает следующие его преимущества:

способ обеспечивает переработку концентрированных1 сред (разбавление 1:5,6) с высокой производительностью аппаратов и выходом биомассы, близким к максимально возможному (до 110%);

способ обеспечивает экспоненцизльный характер размножения м/о с временем генераций 3,0-3,4 ч и достижение высокой концентрации биомассы за короткий,срок.

где qi-n - количество растворов мелассы, которое необходимо подать в течение интервала времени Д г - Ti+1 - т, следующего за моментом последнего измерения

Cm - максимально возможная в данном аппарате концентрация биомассы;

Со-начальная концентрация;

Ci - ее текущее значение;

А - коэффициент пропорциональности;

Vi - объем культуральной жидкости в момент измерения концентрации биомассы; ....

V0 - начальный объем культуральной жидкости;

yi, 5)Q) - экономический коэффициент использования субстрата, масса израсходованной стандартной мелассы к моменту времени TJ ;

К - коэффициент пересчета массы стандартной мелассы на объем раствора натуральной мелассы;

Рм, NM, Б|+1 - количества фосфор-, азотсодержащего компонента и биотина (или детиобиотина), которые необходимо подать в ферментер в течение интервала времени Аг Г|+1-т.

nip , тм , те° - необходимое содержание в дрожжах (в массовых до.лях) PzOs. азота, витамина, соответственно;

91792970 10

mp , тм - массовая доля P20s и азотатммел - массовая для утилизируемого в дозируемых фосфор- и азотсодержащих азота в мелассе; компонентах;

1р

тм - массовая доля азота в дозируе-Ј pi- E NI- Е Б| количества израсхомйм фосфорсодержащем компоненте (на-доаанных фосфор-, азотсодержащих компоненпример диаммоний фосфате);тов и витамина соответственно ко времени

; измерения т.