Система управления процессом культивирования микроорганизмов Советский патент 1983 года по МПК G05D27/00 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может найти применение на заводах белкововитаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов.

Известна система контроля и регулирования основных параметров технологического процесса культивирования белково-витаминного концентрата на углеводородоокисляющих дрожжах, основанная на системе стабилизации параметров на заданном уровне.

Известная система состоит из ферментера, блока датчиков контролируемых параметров процесса ферментации блока сумматоров, блока исполнительных механизмов, пульта управления, блока начальных уставок контролируемых параметров, устройства ввода данных химического и микробиологического анализов. Процесс ферментации корректируется с пульта управления по данным блока датчиков контролируемых, параметров, а также по микробиологическим и химическим данным, поступающим на пульт управления через каждые 2ч ij .

Однако известная система контроля и регулирования не обеспечивает оптимального ведения процесса и такого регулирования основных управляемых

параметров, которое имеет максимально возможный выход биомассы при минимальном потреблении сырья. В известной системе отклонения процесса ферментации от оптимального режима вызывают три основные причины:

1)отсутствие непрерывной количественной оценки микробиологических данных;

2)неполное морфологическое визуг альное описание дрожжевых клеток;

3)субъективное решение инженератехнолога.

В результате процесс ферментации отклоняется от оптимаЯьного, поэтому количество выдаваемой биомассы уменьшается и качество ее снижается.

Целью изобретения является оптимизация производительности процесса и качества продукта.

Для этого предлагаемая система дополнительно снабжена блоком сканирующих микроскопов, вычислителем морфологических признаков, блоком памяти, блоком формирования сигналов коррекции, при этом секции ферментера соединены с блоком сканирующих микроскопов, на выходе которых датчики оптической пло±ности соединены с первым входом вычислителя отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов, второй вход вычислителя соединен с выходом блока памяти отличительных (эталонных) признаков, по которым имеются удовлетворительные решения технолога на изменение управляемых параметров, выход вычислителя соединен с первым входом блока памяти и с первым входо блока формирования сигналов соррекци второй вход которого соединен с выходом устройства ввода данных химического анализа культуры микроорганизмо выход устройства ввода данных соединен с вторым, входом блока памяти, Iтретий вход блока формирования соединен с выходом блока памяти, четвертый вход блока формирования соединен с выходом блока датчиков, который соединен с третьим входом блока памяти, а выход блока формирования соединен через ключ с первым входом пульта управления, второй вход которого соединен с выходом вычислителя, а третий вход соединен с выходом блока датчиков, четвертый вход пульта управления соединен с выходом устройства ввода данных химического анализа, выход пульта управления соединен с четвертым входом блока памяти, выход блок а.формирования соединен через ключ, а выход пульта управления соединен непосредственно с первым входом блока сумматоров, вторые входы которых соединены с блоком начальных уставок управляемых параметров, а третьи входы блока сумматоров соединены с выходом блока датчиков, входы которых соединены с 1ферментером и с различными участками технологической линии процесса ферментации, выход блока сумматоров соединен с блоком исполнительных механизмов регулирования управляемых параметров процесса ферментации.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемой системы.

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3 суммирования, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок управляемых параметров, устройства 7 ввода данных химического анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9 морфологических признаков Лультуры микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков процесса ферментации и удовлетворительных решений технолога для них на изменение управляемых параметров, блока 11 формирования сигналов коррекции управляемых параметров, ключа 12.

Секции ферментера соединены с бло ком 8 сканирующих микрос15опов, на выходе которых датчики оптической плотности соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя 9 соединен с выходом блока 10 памяти. В блоке 10записаны удовлетворительные реше ния на изменение управляемых параме р,ов, а также отличительные морфолог ческие признаки культуры микроорганизмов, на основании которых ранее были приняты удовлетворительные решения, улучшившие экономические показатели процесса ферментации (количества и качества продукта). В блок 10 памяти поступают также данные с блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации и с устройства 7 ввода данных химического анализа. Выход блока 10 сое динен с входом блока 11 формировани сигналов коррекции, на вход которого поступают данные с блока 2, устройства 7 и вычислителя 9. Выход блока 11формиЕ1Ования соединен через ключ 12с входом пульта 5 управления и блоком 3 сумматоров. Выход пульта 5 управления соединен с входом блока сумматоров и с входом блока 10 памяти. Выход блока 6 начальных уставок управляемых параметров соединен с входом блока 3 сумматоров, выход которого соединен с входом блока 4 исполнительных механизмов, изменяющих подачу компонентов в ферментер 1. Управление процессом ферментации связано не только с текущими значениями контролируемых физико-химичес ких параметров, но и с морфологофизиологическими параметрами выращиваемых микроорганизмов. Однако зависимость между измеренными морфо логическими и физико-химическими па -раметрами настолько сложна и мало изучена, что не представляется воз| ожным записать функцию управления Исполнительными механизмами..Поэтоfiy в рассматриваемой системе для управления процессом ферментации предлагается использовать положител ный опыт, накопленный заранее в режиме обучения в течение некоторого времени Т. Положительными будем счи тать те решения на изменение управляемых параметров, которые привели улучшению принятого показателя коли чества и качества готового продукта Система управления процессом кул тивирования микроорганизмов работае следующим образом. Работа системы начинается, с режи ма обучения. Для этого ключ 12 ста. вят в нейтральное положение .(.чер теж) . На пульт 5 управления и в блок «10 памяти поступают данные с блока 2 датчиков контролируемых физико-химических параМет ров, с вычис лителя 9 отличительных морфологически признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7.По этим данным с пульта 5 управления прин мают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком б. Значения величины и знака изменений подачи в ферментер компонентов, регулирующих эти параметры, поступают с пульта 5 управления в блок 10 памяти,где они записываются на одну страницу рядом с данными блока 2, вычислителя 9 и устройства 7, для которых было принято решение на изменение параметров. Если решение оказалось положительным, то эта страница с данными блока 2,вычислителя 9 и устройства 7 и соответствукнцим решением на изменение величины и знака компонент остается в блоке 10 , если решение оказалось отрицательным (выход биомассы, уменьШИЛСЯ, качество ее ухудшилось), то страница стирается из памяти. На этой же странице записывается во сколько раз увеличился экономический показатель. С заданным дискретом по времени описанный цикл повторяется, и из набранных страниц для данного типа сырья, например парафина, в блоке памяти составляется книга. Следует отметить, что нулевые значения величины на изменение компонент и получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти. При обучении нет необходимости на заводе специально задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обрабатывать реально текущие процессы. После окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени Т(недели, месяцы), производится математическая .обработка полученных результатов (выбор метрики, весовых коэффициентов и т.д.), а затем ключ 12 ставится в положение I и система работает в режиме , советчика (полуавтомата) следующим образом. Текущие данные блока 2, вычислителя.9 и устройства 7 (т.е. отличительные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигналов коррекции, где они Сравниваются по одному из алгоритмов распознавания образов с данными, записанными на страницах в блоке 10 Пс1мяти с соответствующими решениями, блок 11 выбирает из блока 10памяти данные той страницы книги для эадаиного типа сырья, которые ближе всего к данным текущего процесса, и с .этой страницы берется записанное данее положительное решение на изменение уставок блока 6 управляемых параметров. В том случае, если в режиме советчика система работает удовлетворительно, то ключ 12 ставится в

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВв ферментере, включающая пульт управления, блок датчиков контролируемых параметров, с'вязанный с первым входом пульта управления, устройство ввода данных химического анализа,•связанное с вторым входом пульта управления, блок начальных уставок» управляемых параметров, блок исполнительных механизмов и блок суммирования, к одному входу которого подключен • пульт управления, 'второй вход соединен с блоком начальных уставок управляемых параметров, а выход - с блоком исполнительных механизмов, отличающаяся тем, что, с целью оптимизации производительности процесса и качества получаемого продукта, система дополнительно снабжена блоком сканирующих микроскопов, вычислителем морфологических признаков, блоком памяти, блоком формирования сигналов коррекции, при этом к входам блока памяти подключен блок датчиков контролируемых параметров, устройство ввода данных химического анализа,пульт управления,вычислитель морфологических признаков,один из вхо-' дов которого соединен с первым выходом блока памяти,второй вход через щ .блок сканирующих микроскопов связан (f ферментером,а второй выход - с пультом управления,второй выход блока памяти подсоединен к блоку формирования сигналов коррекции, входы которого соединены с блоком датчиков контролируемых параметров, вычислителем морфологических признаков, устройством ввода данных химического анализа, а выход блока формирования сигналов коррекции посредством ключа управления соединен с пультом управления и блоком суммирования.(Л^ :Ад :л ^:^ а^