Система автоматического управления про-цЕССОМ биОСиНТЕзА биОлОгичЕСКи АКТиВНыХВЕщЕСТВ Советский патент 1981 года по МПК G05D27/00 

1

Изобретение относится к области микробиологии, касается техники управления процессом биосинтеза биологически активных веществ и может быть использовано в микробиологической промышленности.

Наиболее близким решением к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известная система автоматического управления процессом биосинтеза биологически активных веществ, содержащая ферментер с датчиками температуры, уровня пены, рН культуральной жидкости и подаваемого субстрата, блок определения дыхательного коэффициента, включающий газозаборное устройство, соединенное со входами первого и второго -газоанализаторов, выходы которых подключенв к делителю, и исполнительные механизмы, установленные, соответственно, на линиях регулирования температуры, подачи пеногасителя, аммиачной воды в линии подачи субстрата в ферментер 1.

Однако известная система управления не обеспечивает максимальной эффективности процесса биосинтеза, что приводит к снижению выхода целевого продукта.

Целью изобретения является увеличение выхода целевого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что система автоматического управления процессом биосинтеза биологически активных веществ, содержащая ферментер с датчиками температуры, уровня пены, рН культуральной жидкости и подаваемого субстрата, блок определения дыхательного коэффициента, включающий газозаборное устройство, соединенное со входами первого и второго газоанализаторов, выходы которых подключены к делителю, и исполнительные механизмы, установленные соответственно, на линиях регулирования температуры, подачи пеногасителя, аммиачной воды в линии подачи субстрата в ферментер, снабжена регистром управления, схемой ИЛИ и пультом управления, включающим блок памяти, дещифратором, блоком сравнения, аналогоцифровым преобразователем и регистрами адреса, слова, сдвига, при этом пульт управления соединен через коммутатор с датчиками и через регистр управления - со схемой«ИЛИ

Кроме того, блок памяти через группу вентилей и регистр слова соединен с дешифратором, выходы которого подключены через вторую группу вентилей к регистру управления и непосредственно к коммутатору, а регистр слова при помощи блока сравнения и аналого-цифрового преобразователя соединен .с коммутатором через третью группу вентилей, регистр адреса соединен с блоком памяти и блоком сравнения подключен ко второй группе вентилей, при этом последняя соединена с третьей группой вентилей. Кроме того, пульт управления дополнительно содержит два дополнительных коммутатора, соединенных между собой, регистр сдвига и счетчик, при этом последний соединен с коммутатором, регистр сдвига подключен к одному из дополнительных коммутаторов, блоку сравнения, счетчику и дешифратору, соединенному с дополнительными коммутаторами с регистром управления и через регистр слова - с блоком памяти, причем последний подключен через регистр адреса к одному из дополнительных коммутаторов и регистру слова, а .последний соединен со вторым дополнительным коммутатором, подключенным к блоку аналогоцифрового преобразователя и регистру управления. На фиг. 1 и 2 изображена структурная схема системы автоматического управления процессом биосинтеза биологически активных веществ. Система (фиг. 1 и 2) содержит ферментер 1 с датчиками 2, 3, 4, 5 температуры, уровня пены, рН культуральной жидкости и подаваемого субстрата, блок определения дыхательного коэффициента, включающий газозаборное устройство 6, соединенное со входами первого и второго газоанализаторов 7 и 8 соответственно, на СО и Oj, выходы которых подключены к делителю 9, исполнительные механизмы 10, 11, 12 и 13, установленные соответственно, на линиях регулирования температуры, подачи пеногасителя, аммиачной воды в линию подачи субстрата и подачи субстрата в ферментер, и коммутатор 14. Система включает также дешифратор 15, аналого-цифровой преобразователь 16, блок 17 сравнения, регистры 18, 19 и 20 слова, адреса и сдвига, регистр 21 управления, схему 22 ИЛИ и пульт управления с блоком 23 памяти. Пульт управления (фиг. 1) соединен через коммутатор 14 с датчиками 2, 3, 4 и 5 температуры, уровня пены, рН культуральной жидкости и подаваемого субстрата и через регистр 21 управления со схемой 22 ИЛИ. Блок 23 памяти через первую группу вентилей 24 и регистр 18 слова соединен с дешифратором 15. Выходы дешифратора 15 Через вторую группу вентилей 25 подключены к регистру 21 управления и непосредственно к коммутатору 14. Регистр 18 слова при помощи олока 17 сравнения и аналого-цифрового преобразователя 16 соединен с коммутатором 14 через третью группу вентилей 26. Регистр 19 адреса соединен с блоком 23 памяти, а блок 17 сравнения подключен ко второй группе вентилей 25, при этом последняя соединена с третьей группой вентилей 26. Первый, третий и пятый выходы регистра 21 управления соединены, соответственно, с исполнительными механиз.мами 10, И и 12 регулирования температуры, подачи пеногасителя и аммиачной воды в линию подачи субстрата. Второй и третий выходы регистра 21 управления соединены, соответственно, с первым и вторым входами схемы 22 ИЛИ, выход которой соединен с управляющим входом исполнительного механизма 13 на линии подачи субстрата в ферментер 1. Пульт управления (фиг. 2) может дополнительно содержать два дополнительных коммутатора 27 и 28, соединенных между собой, регистр 29 сдвига и счетчик 30, при этом последний соединен с коммутатором 14. Регистр 29 сдвига подключен к коммутатору 27, блоку 17 сравнения, счетчику 30 и дешифратору 15, при этом последний соединен с коммутаторами 27 и 28 и регистром 21 управления. Дешифратор 15 соединен также через регистр 18 слова с блоком 23 памяти, причем последний подключен через регистр 19 адреса к коммутатору 27 и регистру 18 слова. Регистр 18 слова соединен с коммутатором 28, который подключен к аналогоцифровому преобразователю 16 и регистру 21 управления. Система работает следующим образом. В системе предусмотрено регулирование рН культуральной жидкости в ферментере и регулирование дыхательного коэффициента путем подачи субстрата в ферментер. Значение дыхательного коэффициента рассчитывается блоком определения дыхателького коэффициента, выходы газоанализаторов 7 и 8 (СОг и Ог) которого связаны со входами делителя 9, на выходе последнего дыхательный коэффициент (RQ) определяется формулой CcOi Ч-гТс где Qo - концентрация углекислоты в отходящих газах, об. /о; GO -концентрация -кислорода в отходящих газах, об. °/о; 21 -концентрация кислорода в воздухе, поступающем в ферментер, об. о/о. Система обеспечивает регулирование величины рН подаваемого в ферментер субстрата путем введения в него аммиачной воды, регулирования температуры в ферментере путем подачи охлаждающей жидкости в рубащку ферментера, а также регулирование уровня образующейся пены.

Регулирование по каждому из перечисленных параметров осуществляется следующим образом.

По сигналу, подаваемому на второй вход 31 системы, производится считывание информации,- хранящейся в блоке 23 памяти по адресу, записанному в регистре 19 адреса, на регистр 18 слова, причем в третью группу разрядов регистра 18 слова считывается уставка требуемой величины параметра, номер которого, являющийся номером датчика данного параметра и соответствующего исполнительного механизма, задается информацией, считываемой на вторую группу разрядов регистра 18 слова. Первая группа разрядов регистра 18 слова содержит адрес слова, хранящегося в блоке 23 памяти и относящегося к тому параметру, который должен будет обрабатываться следующим.

Номер параметра, содержащийся во второй группе разрядов регистра 18 слова, расщифровывается дещифратором 15 и поступает на управляющие входы коммутатора 14, который обеспечивает прохождение сигнала от требуемого датчика или делителя 9 на вход аналого-цифрового преобразователя 16, при этом последний преобразует сигнал требуемого датчика или делителя из аналоговой в цифровую форму. Полученный код сигнала поступает на второй вход блока 17 сравнения и сравнивается с кодом уставки, которая поступает на первый вход блока 17 сравнения с третьей группы разрядов регистра 18 слова.

При несовпадении кодов блок 17 сравнения выдает сигнал, поступающий на вход вентилей 25. Далее по сигналу,-подаваемому на первый вход 32 системы и поступающему на входы вентилей 25, происходит запись сигнала с выхода блока 17 сравнения в разряд регистра 21 управления, номер которого задается дешифратором 15.

Каждый разряд регистра 21 управления управляет переключением связанного с ним исполнительного механизма.

Первый разряд регистра 21 управления управляет переключением исполнительного механизма 10 на; линии подачи охлаждающей жидкости и в рубащку ферментера 1, что обеспечивает поддержание требуемой температуры.

Второй и третий разряды регистра 21 управления связ-аны соответственно с первым и вторым входами схемы 22 ИЛИ, выход которого управляет переключением исполнительного механизма 13 на линии подачи субстрата в ферментер, что позволяет осуществлять регулирование рН культуральной жидкости и дыхательного коэффициента.

Четвертый разряд регистра 21 управления связан с исполнительным механизмом 12 подачи аммиачной воды в линию подачи субстрата, что позволяет регулировать рН подаваемого в ферментер 1 субстрата.

Пятый разряд регистра 21 управления связан с исполнительным механизмом 11 подачи пеногасителя в ферментер 1 для регулирования уровня образующейся пены. В случае, если в третьей группе разрядов регистра 18 слова (фиг. 2) содержится уставка величины параметра, на первом выходе дещифратора 15 возникает curnaji, поступающий на первый вход коммутатора 28 управляющей информации, который обеспечивает прохождение кода уставки на первую группу входов блока 17 сравнения. Кроме того, сигнал с первого выхода дешифратора 15 поступает на управляющий вход счетчика 30 и управляющий вход регистра 29 сдвига, обеспечивая тем самым сдвиг со держимого последнего и увеличение содержимого счетчика 30 на единицу.

Полученный на счетчике 30 код поступает на управляющие входы коммутатора 14, задавая тем самым номер опрашиваемого

Q датчика или делителя 9. Сигнал от требуемого датчика или делителя поступает на вход преобразователя 16 для преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую. Код сигнала датчика поступает с выходов преобразователя 16 на вторую группу входов блока 17 сравнения, который сравнивает этот код с кодом уставки, поступающим на первую группу входов блока 17 сравнения.

При несовпадении кодов на выходе блока 17 сравнения образуется сигнал, который записывается во входной разряд регистра 28 сдвига.

Осуществляется также запись во вторую группу разрядов регистра 19 адреса части адреса, содержащейся в первой группе раз5 рядов регистра 18 слова.

Из блока 23 памяти на регистр 18 слова считывается новое слово, содержащее уставку величины следующего параметра, сравнение которой с кодом сигнала от требуемого датчика или делителя 9 обеспечивает заполо нение следующего разряда регистра 29 сдвига.

Таким образом, в результате последовательного опроса всех датчиков и делителя на регистре 29 сдвига формируется слово,

5 отражающее состояние процесса.

Слово, содержащее уставку, относящуюся к последнему параметру в порядке опроса датчиков, имеет в служебных разрядах код, который при расшифровке его дешифратором 15 вызывает сигнал не только на первом, а и на втором его выходе, который поступает на первый управляющий вход коммутатора 27, который обеспечивает запись полностью сформированного на регистре 29 сдвига слово в первую группу разрядов регистра 19

адреса, во вторую группу разрядов которого

осуществляется запись кода, содержащегося

в первой группе разрядов регистра 18 слова.

По сформированному на регистре 19

адресу производится считывание слова из

блока 23 памяти на регистр 18 слова, причем в третью группу разрядов регистра слова считывается код, отражающий набор управляющих воздействий, которые необходимо выполнить при данном состоянии процесса.

Записанный во второй группе разрядов регистра слова код (фиг. 2), расщифровываемый дещифратором 15, вызывает на четвертом его выходе сигнал, который поступает на третий управляющий вход коммутатора 28 и на управляющий вход регистра 21 управления, что обеспечивает запись кода управления из третьей группы разрядов регистра 18 слова на регистр управления.

Кроме того, осуществляется запись части адреса, содержащегося в первой группе разрядов регистра 18 слова, во вторую группу разрядоврегистра 19 адреса. По сформированному адресу осуществляется считывание слова из блока 23 памяти на регистр 18 слова, причем в третью группу разрядов регистра 18 слова записывается часть адреса первого слова следующей группы информации, содержащей уставки параметров.

Вторая группа разрядов регистра 18 слова содержит код, который при расшифровке его дещифратором 15 вызывает на его третьем выходе сигнал, который поступает на вторые управляющие входы коммутаторов 27 и 28 управляющей информации, что обеспечивает запись части адреса, хранящегося в третьей группе разрядов регистра 18 слова, в первую группу разрядов регистра 19 адреса, во вторую группу разрядов которого записывается код, содержащийся в первой группе разрядов регистра 18 слова.

По сформированному адресу из блока 23 памяти считывается слово на регистр 18 слова, причем в третью группу разрядов регистра 18 слова считывается уставка для первого параметра.

Далее, в порядке, описанном выще, обеспечивается формирование нового слова, отражающего состояние процесса на регистре 29 сдвига, выбирается из блока 23 памяти на регистр 21 управления необходимый при данном состоянии процесса код управления, обеспечивается отработка требуемых исполнительных механизмов и осуществляется формирование адреса уставок в блоке 23 памяти для организации следующего цикла работы системы.

Следовательно, процесс управления задается программой, которая хранится в блоке 23 памяти.

Предлагаемая система автоматического управления позволяет вести процесс комплексно, с учетом текущих значений всех параметров.

Возможность совокупного использования для управления процессом биосинтеза биологически активных веществ, преимущественно леворина и нистатина, таких параметров.

как рН культуральной жидкости, дыхательный коэффициент и температура, позволяет достичь эффективного протекания трофо- и идиофазы развития культуры - продуцента антибиотика, что выражается в ускоренном

росте культуры в первой и в повыщенной способности ее, примерно на 5 - 10% синтезировать антибиотик во второй фазе.

Таким образом, предлагаемая система автоматического управления процессом биосинтеза биологически активных веществ

позволяет уменьщить время протекания непроизводительной фазы ферментации и интенсифицировать процесс биосинтеза целевого продукта.

Формула изобретения

1.Система автоматического управления процессом биосинтеза биологически активных веществ, содержащая ферментер с датчиками температуры, уровня пены, рН культуральной жидкости и подаваемого субстрата, блок определения дыхательного коэффициента, включающий газозаборное устройство, соединенное со входами первого и второго газоанализаторов, выходы которых подключены к делителю, и исполнительные механизмы, установленные соответственно на линиях регулирования температуры, подачи пеногасителя, аммиачной воды в линии подачи субстрата в ферментер, отличающаяся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта, она снабжена регистром управления, схемой ИЛИ и пультом управления, включающим блок памяти, дешифратором, блоком сравнения, аналого-цифровым преобразователем и регистрами адреса, слова и сдвига, при этом пульт управления соединен через коммутатор с датчиками и через регистр управления - со схемой ИЛИ.

2.Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок памяти через группу вентилей и

регистр слова соединен с дешифратором, выходы которого подключены через вторую группу, вентилей к регистру управления и непосредственно к коммутатору, а регистр слова при помощи блока сравнения и аналого-цифрового преобразователя соединен с коммутатором через третью группу вентилей, регистр адреса соединен с,блоком памяти и блок сравнения подключен ко второй группе вентилей, при этом последняя соединена с третьей группой вентилей.

3.Система по п. 1, отличающаяся тем, что пульт управления дополнительно содержит два дополнительнь1х коммутатора, соединенных между собой, регистр сдвига и

счетчик, при этом последний соединен с коммутатором, регистр сдвига подключен к одному из дополнительных коммутаторов, блоку сравнения, счетчику и дещифратору, со84единенному с дополнительными коммутаторами, с регистром управления и через регистр слова - с блоком памяти, причем последний подключен через регистр адреса к одному из дополнительных коммутаторов и регистру слова, а последний соединен со вторым дополнИтельны.м коммутатором, подключенным к блоку аналого-цифрового преобразователя и регистру управления. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 522228, кл. С 12 В 1/08, 1974. 845144 4142/3