Система управления процессами выращивания микроорганизмов Советский патент 1981 года по МПК C12M1/00 

Изобретение относится к выращива.нию микроорганизмов и может быть ис пользовано в сельском хозяйстве. Известны СИС1вмы автоматического управления процессами выращивания ми роорганизмов, включающие датчики измерения параметров культивирования, регуляторы и исполнительные механизмы, блоки измерения концентрации био массы l Однако в известных системах управ ления выращиванием микроорганизмов контроль и регулирование микробиологических процессов осуществляют по вторичным косвенным показателям развития микробных клеток, измерение рН среды, потребление кислорода, концен рация продуктов биосинтеза, концентрация биомассы. Поэтому точность регулирования процессами выращивания микроорганизмов недостаточно высокая Известна также система управления процессами выращивания микроорганизмов, включающая датчики и измерители параметров выращивания (температуры. рН, аэрации), блок определения общей концентрации биомассы и блок определения ее прироста в единицу времени, блок измерения концентрации живых микроорганизмов и блок определения их прироста в единицу времени, блок определения состава компонентов питательной среды, регуляторы и исполнительные механизмы, вычислительный блок контроля и управления с блоком отработки, управляющих сигналов и блоком реализации адаптивной модели, на вход которого подключены датчики, а вьпсод через блок отработки управляющих сигналов подключен к задакнцим входам регуляторов C2j. Недостатками этой системы являются то, 4TOj во-первых, используемые в системе блоки и схема их включения обеспечивают регулирование микробиоогического процесса по вторичным косвенным показателям развития и жизнедеятельности микроорганизмов. Вовторых, определение состояния развития культуры по вторичным косвенным показателям, а также ведение процесса по расчетным характеристикам, заложе 1ным в блок реализации адаптивной модели в виде математической функ циональной зависимости, не обеспечивает достаточно точное и оптимальное регулирование микробиологического процесса. Математическая функциональная зависимость развития микроорганизмов и переменных взаимосвязанных параметров выращивания до настоящего времени еще не установлена с достаточной точностью. Поэтому данная функциональная зависимость описывается очень приближенными упрощенными математичес1шми выражениями, не обеспечивающими значительное количество факторов вырапщвания. Вторичные и косвенные показатели процесса выращива1-шя микрооргаш- змов взаимосвязаны и оказывают влияние друг на друга по сложным, до конца не установленным зависимостям. Например, температура среды влияет на рН и концентрацию растворенного кислорода и другие факторы культивирования, Кроме того, известная система управления выращиванием не обеспечивает ус-повий сохранеьшя максимального количества живых микробных клеток что имеет большое значение, например при производстве живых вагадин Цель изобретения - повьшение точности и эффективности процесса регул рования и оптимизация процессов вьфа щивания микроорга шзмов. Указанная цель достигается тем, что система снабжена блоком определе ния отношения концентрации живых мик роорганизмов к концентрации общей би массы, на вход которого подключены блок определения концентрации биомас сы и блок определения.концентрации живых микроорганизмов, причем выходы блока определения отношения концентр 1СИИ живых микроорганизмов к концентр ции биомассы, блока определения прироста концентрации живых микроорганизмов и блока определения прироста биомассы в единицу времени подключен на вход блока реализации адаптивной модели. Таким образом, устанавливается об ратная связь регулирования параметро выращивания и состояния питательной среды с блоком управления сигналов и блоком реализации адаптивной модели посредством датчиков и блоков контроля развития, роста микроорганизмов, т,е. блоков определения концентрации ивых микроорганизмов, концентрации биомассы и их прироста в единицу времени. На фиг,1 изображена принципиальная схема предлагаемой системы управления процессом выращивания микроорганизМОВ5 на фиг,2 - график развития культуры микроорганизмов во времени. Система содержит ферментер 1, вычислительный блок 2 контроля и управления, имеющий блок 3 реализации адаптивной модели и процесса и блок 4 отработки управляющих сигналов, причем вход этого блока подключен к выходу блока 3 реализации. Система содержит контуры контроля и управления температурой, аэрацией и рН среды, а также составом питательной среды. Контур управления температурой включает 5 температуры, выход которого соединен с входом преобразователя 6 сигналов, выход которого подключен ко входу регулятора 7, связанному с блоком 4 отработки управляющих сигналов и исполнительньм механизмом 8, установленным на линии;охлаждающая вода. Контур управления аэрацией содержит датчик9 расхода воздуха, выход которого соединен со входом преобразователя Ш сигналов, подключенного к входу регулятора II расхода, связанному с блоком 4 отработки управляющих сигналов и исполнительными механизмами 12 и 13, установленными на линиях: вход и выход воздуха на аэрацию. Контур управления рН среды включает датчик 14, подключенный через преобразователь 15 сигналовко входу регулятора 16, подключенного, в свою очередь, к блоку 4 отработки управляющих сигналов и исполнительному механизму 17, установленному на линии подачи в ферментер 1 веществ, регулирующих рН . среды, например, кислоты или щелочи. Расход воздуха на аэреацию определяется датчиком 18, выход которого соединен с показывающим прибором 19 и сигнальным прибором 20, Выход сигнала с прибора 20 подводится к регулятору 11 расхода и исполнительным механизмом 12 и 13, Контур управления составом питательной среды содержит датчик 21 состава питательной среды, подключенный к выходу измерителя 22, выход которого подключен к преобразователю 23 сигнала, связанному с рег лятором 24 состава компонентов пита тельной среды, выход которого подключен к блоку 4 отработки уп.авляю щих сигналов и исполнительному механизму 25 установленному на линии: подача компонентов питательной сред Контур контроля развития и роста микроорганизмов включает датчик 26 концентрации живых микроорганизмов и датчик 27 концентрации биомассы. Датчик 26 концентрации живых микроорганизмов соединен с измерителем 28 концентрации живых микроорганизмов, выход которого подключен на вход блока 29 определения прироста концентрации живых микроорганизмов в единицу времени. Датчик 27 общей концентрации биомассы подключен на вход блока 30 измерения общей концентрации биомассы, выход которого подключен на вход блока 3 определения прироста биомассы в единицу времени. Блок 28 измерения концентрации живых микроорганизмов и блок 30 измерения общей концентрации биомассы подключены на вход блока 32 определ ния отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации обще биомассы, выход которого подключен на вход блока 3 реализации адаптивной модели. На вход блока 3 подключены также выходы датчиков 5 температуры,рН 14 расхода воздуха 9, состава питательной среды 21J выходы блоков 28 определения концентрации живых микроорганизмов и 29 определения приро та их в единицу времени, блоков 30 определения концентрации биомассы и 31 определения прироста ее в еди ницу времени. Система работает следующим образом, В блоке 3 реализации адаптивной модели закладывают математическое функциональное параметрическое опис ние процесса культивирования микроорганизмов, в котором предусмотрено выведение условий и режимов культивирования на оптимальный уровень при использовании в качестве опреде ляющего параметра отношение концен 366 ра1щи живых микроорганизмов к общей концентрации биомассы, которое должно быть максимальным и близким к единице при одновременном сохранении максимального прироста концентрации живых микроорганизмов и биомассы в единицу времени, В блоке 3 реализации адаптивной модели задают оптимальные параметры культивирования для данного вида микроорганизмов по стадиям развития во времени. Далее Оерментер I заполняют культуральной средой с микроорганизмами и начинают процесс выращивания. Параметры процесса вьфащивания измеряют датчиками температуры 5, рН 14, расхода воздуха 9, состава компонентов питательной среды 21. В процессе выращивания микроорганизмов определяют развитие и рост их по приросту концентрации живых микробных тел (датчик 26) , общей концетра- цией биомассы (датчик 27),а.также определяют отношение концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы в блоке 32, Сигналы с датчиков температуры 5, рН 14, расхода воздуха 9, концентрации живых микроорганизмов 26, концентрации общей биомассы 27 через измерительные блоки и блоки преобразова1шя сигналов поступают в блок 3реализации адаптивной модели. При отклонении величины отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации общей биомассы от максимального значения (величина отношения концентрации определяется в блоке 32) с блока 32 поступает сигнал на вход блока 3, В блоке 3 реализации адаптивной модели определяются имеющие место отклонения параметров культивирования или содержания компонентов питательной среды, В случае наличия отклонений с блока 3 поступает команда в блок 4 отработки управлякяцих сигналов и с этого блока 4поступают команды по линиям связи на соответствуюище регуляторы. Регуляторы с помощью соответствующих исполнительных механизмов устанавливают подачу воздуха на аэрацию (исполнительный механизм 12 и 13), температуру (исполнительный механизм 8), рН (исполнительный механизм 17), состава питательной среды (исполнительный механизм 25) на уровень, . обеспечивающий оптимальное развитие икроорганизмов. При этом отношение

концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы приводится к максимально возможному значению, приб.шзительно равному единице, а црирост концентрации живых мнкроорганизмов в единицу времени становится положительным.

На фиг,2 по вертикальной оси отложены концентрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы в кле ках/мл, а по горизонтальной оси время культивирова1шя в часах.

Кривая измерения концентрации живых микроорганизмов и кривая 2 измерения концентрации биомассы при соблюде1ши оптимальных условий вырагцивагжя примерно совпадают. .

В пределе культивирования(7-8 ч) в результате создания неблагоприятных условий (отклонения параметров от оптимального значения или состава питательной среды) происходит отклонение кривой 1 (фиг.2) концентраци живых микроорганизмов и,следовательн OTHoineime концентрации живых микроорх-анизмов к котщентрации биомассы также отклоняется от максимального значения, а прирост концентрации живых микроорганизмов в единицу време1-ш отрицательный, при этом концентрация биомассы, как величина более стабильная изменяется незначительно по сравнению с Концентрацией живых микроорганизмов. Последние более чувствительны к изменениям условий культивирования, концентрация их изменяется значительно при неблагоприятных условиях. Концентрация же биомассы сохраняет свое значение хотя бы потому, что часть погибших микробных клеток какое-то время находится в среде, не разрушаясь, создавая ошибочную ни, дикость (как это происходит в язвест шлх системах) благополучия и параметров 1сультивирования. Сигналы с датчика 26 концентрации живых микроорганизмов и датчика 27 кошдентрации биомассы через блоки 28 и 30 измерения, а также сигнал с блока 32 определения отношения концент рации живых микроорганизмов к концентрации биомассы поступают в блок 3 реализации, адаптивной модели, в ко-торой производится анализ и определение режимов и условий выращивания, существуюищх в данный момент времени в ферментере 1, решается функциональ- няч зависимость, описывающая развитие

микроорганизмов, и определяются зада шя регуляторам.

По команде с блока 3 в блок 4 отрабатываются управляющие сигналы, которые через регуляторы поступают на исполнительные механизм1)1. Послед:1ние корректируют параметры выращивания и состав питательной среды до тех пор, пока в ферментере 1 не установятся условия, наиболее благоприятные для развития и роста культуры на данной стадии вьфащивания, при этом показания датчика 26 концентрации живых микроорганизмов и датчика 27 концентрации биомассы становятся примерно равными, а отношение концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы, определяемое в блоке 32, возраста.ет до максимального значения. Кривые (фиг.2)концентрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы после установления оптимальных условий концентрирования снова почти совпадают, а прирост концентрации живых микроорганизмов и биомассы в единицу времени становится положительным.

Таким образом, в предлагаемой системе используется в качестве параметра оптимизация процесса выращивания микроорганизмов наиболее обьективный чувствительный и точный показатель - развитие и размножение микроорганизмов в ферментере. Использование датчиков и блоков измерения концентрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы, а также блока измерения отношения этих концентраций позволяет проводить оптимизацию микробиологического процесса с большей точностью и высокой эффективностью искоростью, выводить на оптимальный уровень одновременно целый ряд параметров выращивания. Основным преимуществом предлагаемой системы перед известными является то, что процесс регулирования проводится не по вторичным косвенным показателям развития микроорганизмов, а по первичным, а именно по росту и развитию самих микроорганизмов (микробных клеток). Формула изобретения Система управления процессами выращивания микрос рганизмов, включающая датчики и измерители параметров выращивания (температуры, рН, аэрацда), блок определегшя общей концентрации

биомассы и блок определения ее прироста в единицу времени, блок измерения концентрации живых микроорганизмов и блок определения их прироста в единицу времени, блок определения состава компонентов питателъной среды, регуляторы и исполнительные механизмы, вычислительный блок контроля и управления с блоком отработки управляющих сигналов и блоком реализации адаптивной модели, на вход которого подключены датчики, а выход через блок отработки управляющих сигналов подключен к задающим входам регуляторов, о т л ичающаяся тем, что, с целью повышения точности и эффективности процесса регулирования и оптимизации процесса выращивания микроорганизмов, система снабжена блоком определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентра5943610

ции общей биомассы, на вход которого подключены блок определения концентрации биомассы и блок определеНИН ко нцентрации живых микроорганизмов, причем входы блока определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы, блока определения прироста концентрации живых микроорганизмов 10 и блока определения прироста концентрации биомассы в еди1шцу времени под ключе нь: на вход блока реализации адаптивной модели.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, ВНИИБиотехника. Вьт.1, 1972, с.35-43.

2,Авторское свидетельство СССР № 488847, кл. С 12 В 1/08, 1972 ).

Kuc/io/r a . ще/юиь

KOHueHmf Cii4i/flf

i«:u&nx (iuKpoOf)iiiHu3Ho5f f / emoK/M/

KoHtJ fiHmhd u SuOHUUbl,

MemoK/H/1

Tf

fH

fo

гЛ