Система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере Советский патент 1982 года по МПК G05D27/00 

(5) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ БИОСИНТЕЗА МИКРООРГАНИЗМОВ В ФЕРМЕНТЕРЕ

1

Изобретение относится к микробиологической промышленности и касается автоматического управления периодическим процессом получения продуктов жизнедеятельности аэробных микроорганизмов в ферментере.

Известны системы автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере, содержащие контуры регулирова- ю ния температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомассы, включающие датчик, регулятор и исполнительк механизм, установленный соответственно на линии подачи охлаждающей is воды, стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, блоки реализации адаптивной модели и отработки управляющих воздействий 1} и 21.20

Недостатком известных систем является то, что проведение процесса в соответствии с адаптивной моделью вследствие высокого колебания параметров процесса биосинтеза от операции к операции не всегда приводит к увеличению выхода целевого продукта.

Кроме того, известные системы обеспечивают лишь протекание процесса в соответствии с адаптивной моделью и не предусматривают вмешательства в ход технологического процесса, что приводит к низкому выходу продуктов биосинтеза.

Цель изобретения - повышение выхода целевого продукта.

Указанная цель достигается тем, что система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере, содержащая контуры регулирования температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомассы, включающие датчик, регулятор и исполнительный механизм, установленный соответственно на линии подачи охлаждающей воды, стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, бло3ки реализации адаптивной модели и отработки управляющих воздействий, снабжена блоком сравнения, исполнительным механизмом, установленным на линии подачи стерильной воды, и датчиками концентрации продукта био синтеза и уровня в ферментере, при этом последний через программный бло и блоки (Коммутации подключен к ис-. полнительным механизмам, установленным соответственно на линиях подачи стерильного воздуха и стерильн воды и питательных веществ, причем датчик концентрации продукта биосинтеза связан непосредственно с бл ком адаптивной модели и через блоки дифференцирования и запоминания с. блоком сравнения, а последний соединен с блоками коммутации при помо щи дополнительного командного блока На чертеже схематично изображена система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере. Система автоматического управлеиия содержит ферментер 1, контуры регулирования температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомасс включающие датчик 2 температуры, ре гулятор 3 и исполнительные механизмы А-7, установленные соответственно на линии подачи охлаждающей воды стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, блоки 8 и 3 реализации адаптивной модели и отработки управляющих воздействий, блок 10 сравнения, исполнительный механизм 11, установленный на линии подачи стерильной воды, и датчики 12 и 13 концентрации лродукта биосинтеза и уровня культуральной жидкости в ферментере 1. Система содержит также датчик кислотности среды (рН), выход которого соединен с входом регулятора 1 датчики 16-Т8 концеь5трации микроорганизмов, углеводов и растворенного кислорода, блоки 19-21 коммутации, блок 22 дифференцирования по времени, блок 23 запоминания, командный блок 2Ц, регулятор 25 концентрации углеводов в культуральной жидкости, сумматор 26, вспомогательную емкость 27 для подачи питательных веществ а ферментер 1, регулятор 28 расхода стерильной воды, поступающе 3 ферментер 1 из подпиточиой емкости 29:- и программный блок 30. k4 Датчик 13 уровня культуральной жидкости в ферментере 1 через программный блок 30 и блоки 19-21 коммутации подключен к исполнительным механизмам 6, 11 и 7, установленным соответственно на линиях подачи стерильного воздуха, стерильной воды и питательных веществ. Датчик 12 концентрации продукта биосинтеза связан непосредственно с блоком 8 адаптивной модели и через блоки 22 и 23 дифференцирования и запоминания с блоком 10 сравнения, при этом последний соединен с блоками 19-21 коммутации при помощи командного блока 2. Выход блока 19 коммутации подключен к входу регулятора 31 подачи воздуха в аппарат, а выход регулятора 31 соединен с исполнительным механизмом 6 подачи стерильного воздуха. Система работает следующим образом. Процесс получения продуктов вторичного метаболизма аэробных микроорганизмов, в частности аминокислот, например лизина, требует соблюдения жестких требований к параметрам среды по температуре и кислотности. Полученные искусственным путем мутанты продуценты целевого продукта чувствительны к изменению внешних условий, что требует поддержания температуры и рН среды на постоянном уровне. Стабилизация температуры и кислотности среды осуществляется следующим образом. Сигналы от датчиков 2 и 14 температуры и кислотности среды поступают на входы регуляторов 3 и 15. на которых предварительно установлены в качестве задания оптимальные значения этих параметров, которые сравниваются с поступающими с датчиков 2 и сигналами. Возникающий при этом си|- нал рассогласования по каждому параметру вызывает соответствующее изменение сигнала на выходе регуляторов 3 и 15, устанавливающих с помощью исполнительных механизмов А и 5 значения температуры и кислотности, соответствующие оптимальным условиям протекания процесса микробиологического синтеза, путем подачи хладагента и аммиачной воды. Изменение управляющих воздействий при отклонении параметра управления от задаваемого оптимального уровня осу5ществляется так, чтобы миниминизировать разность текущего и задаваем го значения параметра. Кинетика процесса роста и развития аэробных микроорганизмов и си теза продуктов их жизнедеятельности осуществляется следующим образом. В начальный период ферментации происходит интенсивный процесс деле ния клеток и увеличение их размеров что приводит к увеличению концентра ции микроорганизмов в среде по закону, близкому к экспоненциальному. Образование новых клеток происходит вследствие переработки углеводов и поэтому концентрация последних в среде резко уменьшается. Растворенный в культуральной жидкости кислород расходуется на образование новы клеток и на поддержание жизнедеятел ности существующих, поэтому концент рация кислорода в среде монотонно уменьшается. По истечении некоторого периода времени - лагфазы, составляющей 6.8 ч, клетки синтезируют целевой про дукт, концентрация которого в среде постепенно увеличивается по закону, близкому к экспоненциальному. Через ч характер зависимости концентрации субстратов от времени меняется, число делящихся клеток умен шается, и прирост концентрации микр организмов в среде постепенно исчезает, а абсолютная величина этой концентрации становится постоянной. Углеводы расходуются только на образование целевого продукта, и темп снижения их концентрации в среде уменьшается. Растворенный в культуральной жидкости кислород расходуетсЯв основном на поддержание жизнедеятельности существующих клеток, поэтому его концентрация постепенно повышается. Единственным управляющим воздействием на ход процесса является количество воздуха, подаваемого на аэрацию, которое изменяет концентрацию растворенного в среде кислорода и, следовательно, влияет на концентрацию всех остальных субстратов. Математическое выражение в виде зависимости концентрации растворенного кислорода от текущей информации о состоянии культуры набирается в блоке 8 реализации адаптивной мо1дели. При поступлении информации на вход блока 8 реализации адаптивной kk6 модели от датчиков 16, 17, 12 и 18 концентрации микроорганизмов, углеводов, целевого продукта и растворенного кислорода математическое выражение решается и вычисленное значение передается на вход блока 9 управляющих-воздействий, где отрабатываются управляющие воздействия определенной величины, которые через канал связи поступают на задающий вход регулятора 31, устанавливаняцего с помощью исполнительного механизма 6 соответствующие значения расхода аэрирующего воздуха. Одновременно сигнал с датчика 12 концентрации продукта биосинтеза поступает на блок 22 дифференцирования по времени , в котором вычисляется производная по времени от значения концентрации целевого продукта. Вычисленное значение поступает на блок 23 запоминания значения производной в предыдущий момент времени и блок 10 сравнения, в котором сравниваются текущее значение производной по времени концентрации целевого продукта со значением этой же величины в предыдущий момент времени, например в предыдущую минуту при дискретном измерении. Если текущее значение производной выше ее значения в предшествующий момент времени, с командного блока 2 на управляющие вхоцы блоков коммутации подается сигнал, который обусловливает в блоке 19 соединение выхода блока 9 отработки управляющих воздействий с входом регулятора 31, а в блоках 20 и 21 - коммутацию выхода командного блока 2Ц на входы регуляторов 25 и 28 концентрации углеводов в культуральной жидкости и расхода стерильной воды, причем сигнал с командного блока 2 осуществляет такое задание регуляторам 25 и 28, которое устанавливает исполнительные механизмы 7 и 11 подачи питательных веществ и стерильной воды в положение максимального закрытия. В момент, когда текущее значение производной по времени от концентрации целевого продукта станет меньше или равным значению этой же величины в предыдущий момент времени, с выхода командного блока 24 дается сигнал на управляющие входы блоков 19 21 коммутации, которые с этого момента осуществляют коммутацию сигнаов с выходов датчиков 16-18 на вхо7gZtды регуляторов 31s 25 и 28. С этого момел-гга, соответствующего досги«енин: максимальной скорости биосинте за целевого продукта, подаются такие сигналы, которые установят исполнительные механизмы 7 и 11 в положение, при котором обеспечивается постояистБО концентраций углеводов, микроорганизмов и растворенного кисл рода в среде. 8 аппарате поддерживаются условия Д.ПЯ максимальной скорост биосинтеза целевого продукта. Сумматор 26 отрабатывает управляющее воздействие, равное разности между сигналами с регуляторов 28 и 25. Необходимость такого вычитания обусловлена тем, что с регулятора 28 расхода стерильной воды подается сиг ивл5 обеспечивающий расход подпиточной жидкости, который застабилизирует концентрацию микроорганизмов в среде, а для поддержания концентраци расходуемых питательных веществ в ферментер 1 подается концентрированный раствор углеводов, который также разбавляет биомассу. Поэтому из емкости 29 стерильной воды раС Гчодуется жидкости на ееличину расхода растзора углеводов меньше, так что суммарный расход пОДПито.чкой жидкости обеспечивает постоянство концентрйлии .микроорганизмоз. Практически расход жидкости для рззбзблени : бмонзссы больше расхо да концентрированного раствора углеiopjos, если : зстаор достаточно концентрированный, например. 2Q-3 %, поз.тому зыходной сигнал, су тматора 16 всегда положительный. За счет сеии: -юдниточных жид ;ocтeй объем культуральной жидкости в аппарате узеличивеется аг1лоть до достижения макс/ мально возможной величины, после чего сигнал с датчика 13 уровня ку 1ьтурйльной жидкости поступает на 5,чод nporpafJMHoro блока 30, который дает. комсИ1Ду на переключение комму блоков в исходное положен;--8,, т,е, прекращается коммутация С(ГН5лов с датчиков на Едоды регуляторов ЗЬ 25 и 28s и сиг нал чс,«.мутир уется с выхода 9 отработки управляющих воздействий на эдод регулятора 31 через блок 19 коммутации} а сигнал с командного блока 2k, поступающий на входы ре- гулятороз 25 и 28, осуществляет уста ноэлен е исполнительных механизмов 7 и 11 S положение максимального закрытия. Подача подпитки прекращается, Управление на заключительной стадии процесса осуществляется подачей воздуха в соответствии с адаптивной моделью. Ферментация может быть прекращена при выполнении регламентных ограничений, например, при снижении концентрации углеводов в среде до допустимого уровня. Предлагаемая система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере позволяет по сравнению с известной увеличить выход целевого продукта на 2% путем оптимального проведения периодического процесса биосинтеза с подпиткой. Формула изобретения Система автоматического управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере, содержащая контуры регулирования температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомассы, включающие датчик, регулятор и исполнительный механизм, установленный соответственно на .линии подачи охлаждающей воды, стерильноговоздуха, аммиачной воды и питательных веществ, блоки реализации адаптивной модели и отработки управляющих воздействий, отличающаяся тем, что, с целью повышения выхода целевого продукта, она снабжена блоком сравнения, исполнительным механизмом, установленным на линии подачи стерильной воды, и датчиками концентрации продукта биосинтеза и уровня в ферментере, при этом последний через программный блок и блоки коммутации подключен к исполнительным механизмам установленным соответственна на линиях подачи стерильного воздуха и стерильной боды и питательных веществ, причем датчик концентрации продукта биосинтеза связан непосредственно с блоком адаптивной модели и через блоки дифференцирования и запоминания с блоком сравнения,а последний соединен с блоками коммутации при помощи дополнительного командного блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Работнова И.Л, Хемостатное культивирование и ингибирование рос та. И., Наука, 1979, с. 17. 2,Авторское свидетельство СССР № 88847, кл, С 12 В 1/08, 1972,