Система автоматического управления полунепрерывным процессом культивирования микроорганизмов Советский патент 1982 года по МПК G05D27/00 

(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО 1Т1РАВЛЕНИ51 ПОЛУНЕПРЕРЫВНЫМ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для автоматического управления полунепрерьшным процессом микробиологического синтеза.

Известна система автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, содержащая датчики расхода воздуха и концентраций кислорода, установленные на линии подачи воздуха в аппарат и линии отработанных газов, блок определения потребляемого кислорода, программный блок и компаратор, вход которого .соединен с блоком определения потребляемого кислорода и программным блоком, а выход с исполнительными механизмами на линиях подачи субстрата 11.

Недостатком указанной системы является то, что в ней отсутствует система слежения за массой среды в ферментере, что особенно затрудняет управление полунепрернвтлм процессом. Кроме того, система не обеспечивает подачу субстрата, оптимизирующую условия роста биомассы,которые могут отличаться от условий, оп-тимальных для биосинтеза целевого продукта.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является система управления периодическим процессом биосинтеза микроорганиз10мов, содержащая контур регулирования рН среды с датчиком рН,анализатор концентраций микроорганиз-° нов, субстрата и целевого продукта, исполнительные механизмы, установ15ленные на линиях подачи титрующего агента и субстрата, и управляющее устройство с блоком реализации адаптивной модели, связанное с анализатором концентраций и датчиком рН 23.

20

Недостатком известной системы является то, что в ней отсутствует контур управления подачей субстрата в зависимости от объема среды и ьоицентрации в ней нелепого гродукта, что не обеспечивает достижение максимального выхода от субстрата целевого продукта. Целью изобретения является повышение выхода целевого продукта при полунепрерывном культивировании микроорганизмов . Поставленная цель достигается тем, что система автоматического управления полунепрерьшньгм процессом культивирования микроорганизмов содержап1ая контур регулирования рН среды с датчиком рН, анализатор кон центраций микроорганизмов, субстрат и целевого продукта, исполнительные механизмы, установленные на линиях подачи титрующего агента и субстрат и управляющее устройство с блоком реализации адаптивной модели, связанное с анализатором концентраций и датчиком рН снабжена тензометрическим устройством, блоком сог-ласования и коммутирующими устройствами при этом выход тензометрического устройства соединен с блоком реализации адаптивной модели, а выход последнего подключен через блок кор рекции к блоку согласования и комму тирующим устройствам, соединенным с соответствующими исполнительными механизмами, установленными на лини подачи титрующего агента и субстрат Иа чертеже показана блок-схема предлагаемой системы управления. Система содержит контур стабилизации рН среды в ферментере I,состоящий из датчика 4 рН, соединенног с регулятором 3, выход которого свя зан через коммутирующее устройство II с исполнительным механизмом 12, установленным на линии подачи титрующего агента, контурпериодической коррекции уровня концентрации подпи тывающего субстрата в ферментационной среде, состоящий из анализатора 6 концентраций биомассы, субстрата и целевого продукта, тензометрического устройства 5, соединенных с блоком 7 реализации адаптивной модели управляющего устройства 2, а.выход блока 7 подключен к блоку 9 коррекции, выходы которого соединены с блоком согласования 8 и. через коммутирующие устройства П и 10 с исполнительными механизмами 12 и 13, установленными на линиях подачи титрзтащего агента и субстрата соответственно, контур поддержания ко 04 центрации подпитывающего субстрата в ферментационной среде, состоящий из датчика 4 рН, соединенного с блоком согласования 8, выход которого связан через коммутирующее устройство 10с исполнительным механизмом 13, установленным на линии подачи подпитьшающего субстрата. С.целью повышения выхода целевого продукта, концентрацию компонентов питательной среды, по которым ве- дется подпитка, поддерживают на уровне, оптимальном для биосинтеза целевых продуктов, например, концентрацию глюкозы в процессе биосинтеза амилолитических ферментов. При этом оптимальный уровень концентрации подпитьшающего субстрата в ферментере может меняться в течение процесса биосинтеза в связи с переменными условиями развития культуры. В то же время скорость изменения рН среды в ферментере характеризует ско- . рость роста микроорганизмов и соответственно потребления питательного субстрата. Система автоматического управления работает следующим образом. рН ферментационнЕй среды поддерживается на заданном уровне с помощью контура стабилизации рП среды, включающего датчик 4, подключенный на вход регулятора 3, который после сравнения текущего и заданного значения рН подает управляющий сигнал через коммутирующее устройство 11 на исполнительный механизм 12, установленный на линии подачи титрующего агента. Управление скоростью подачи субстрата проводится по двум контурам управления: по контуру периодической коррекции уровня концентрации подпитывающего субстрата в ферментере, использующего управляющий сигнал от блока периодической коррекции 9 управляющего устройства 2, и по контуру поддерживания концентрации подпитьгоающего субстрата в ферментере на оптимальном уровне между моментами коррекции, использующего сигнал датчика 4 рН, который отслеживает отклонение значения рН от заданного в регуляторе рН, характеризующее ско°рость окисления ферментационной среды и скорость потребления субстрата микроорганизмами. Переключение контуров осуществляется коммутирующим устройством 10,

выход KOTopo o соединен с исполнительным механизмом 13, управляющим скоростью подачи подпитьгаающего субстрата. Управляющий сигнал от блока 9 в момент коррекции в сторону увеличенид концентрации подпитьшающего субстрата в ферментере также jiocTyпает через коммутирующее устройство 1 на исполнительный механизм 12, управляющий скоростью подачи титрующего агента, для одновременной подачи соответственного количества титрующего агента в ферментер в случае, если рН подпитывающего субстрата и рН среды в й)ерментере не совпадают. Коррекция в сторону уменьшения концентрации субстрата осуществляется перекрытием линии подали питательного субстрата посредством исполнительного механизма 13 на промежуток времени, определенный в блоке периодической коррекции 9.

В целом управление полупериодическим процессом реализуется следующим образом.

В ферментере 1 осуществляется процесс полунепрерывного культивирования микроорганизмов. Сигналы анализатора 6 концентраций , субвтрата и целевого продукта и тензометрического устройства 5, отслеживающего изменение массы среды в ферментере I с учетом поступающих туда доливок, поступают на блок реализации адаптивной модели 7, в котором проводится оценка состояния процесса биосинтеза по заданной программе. Информация из блока адапНачальный объем ферментационной среды, м

Конечный объем ферментационной среды,м

Начальная концентрация глюкозы осахаренного крахмала в ферментере, кг/м

Концентрация глюкозы осахаренного крахмала в подпитывающем растворе, кг/м

тивной модели 7 поступает на блок периодической коррекции 9, который вырабатывает корректирующие сигналы для приведения концентрации субстрата S в ферментере на оптимальный уровень и для коррекции посредством блока согласования 8 коэффициента усиления контура поддержания концентрации субстрата на оптимальном уровне.

0 Корректирующие сигналы на выходе блока 9 поступают на блок согласования 8 и через котснуткрующие устройства 10 и 11 на исполнительные механизмы 53 и 12, установленные на линиях подачи подпитывающего субстрата и титрующего агента соответственно. После коррекции управляющее устройство 2 переключает через коммутирующее устройство 10 вход исполнительного механизма 13 на линии пода0чи субстрата к выходу блока согласования 8 и через коммутирующее устройство 11 вход исполнительного механизма 12 на линии подачи титSрующего агента к выходу регулятора рН 3. Управление скоростью подачи подпитьшающего субстрата и титрующего агента при этом осуществляется при отключенном блоке коррекции 9 до следующего момента поступления сигналов от анализатора концентраций 6 и тензометрического устройства 5 на управляющее устройство 2.

В таблице приведены сравнительные результаты известной системы полунепре швного выращивания Bac.subtlll; для получения d, -амилазы и предлагае14ой системы автоматического управления

0,8

0,8

1,5

1,5

50

50

150

150

°С 37-38 6,3-6,4

Моделирование работы предлагаемой системы управления по результатам экспериментальных ферментации at -амилазы продуцентом Вас. subtil is показывает возможность устойчивого ведения процесса и повышения выхода фермента в среднем на 5% по сравнению с выходом при программном управлении.

Формула изобретения

Система автоматического управления полунепрерывным процессом культивирования микроорганизмов,свдержащая контур регулирования рН с датчиком рН, анализатор концентраций микроорганизмов,субстрата и целевого продукта, исполнительные механизмы, установленные на линиях подачи титрующего агента и субстрата, и управляющее устройство с блоком реализации адап37-386,3-6,4

Переменная в зависимости от состояния ферментационнойсреды:

объема, концентрациибиомассы, глюкозы,фермента

178,5

187,8

тивнои модели, связанное с анализатором концентраций и датчиком рН, отличающая ся тем, что, с целью повышения выхода целевого продукта, она снабжена тензометрическим устройством, блоком согласования и коммутирующими устройства при этом выход тензометрического устройства соединен с блоком реализации адаптивной модели, а выход последнего подключен через блок коррекции к блоку согласования и коммутирующим устройствам, соединенным с соответствующими исполнительными механизмами, установленными на линиях подачи титрующего агента и субстрата.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

L.ir --n:j