Система автоматического управления периодическим процессом ферментации Советский патент 1982 года по МПК G05D27/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению периодическими процессами выращивания микроорганизмов и может быть использовано в производствах микробиологической и химико-фармацевтической промышленности. Известно устройство для контроля кон центрации продуктов биосинтеза в периодических процессах выращивания микроорганизмов, содержащее пробоотборник, измеритель и блок сравнения текущего значения концентрации с предыдущим, а также импульсатор, повторитель со сдвигом и ячейку задержки сигнала на такт, в котором один из разнополярных входов .блока сравнения подключен к измерителю а другой соединен с измерителем посредством повторителя со сдвигом и ячейки задержки сигнала на такт 1 . Недостатком известного устройства является то, что определение момента достижения максимума концентрации целе вого продукта, синтезируемого в процессе биосинтеза, не соответствует моменту оптимального окончания периодического процесса для своевременного отключения аппарата, что приводит к снижению производительности процесса и увеличению затрат. Наиболее близким техническим решением к изобретению является система автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая контуры регул1фования температуры, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик и блок задания оптимального зна чения измеряемьго параметра, соединенные с регулятором непосредственно и через переключающие реле исполнительный . механизм, контур определения оптималыной продолжительности процесса, включающий блок измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, последовательно соединенные таймер и пороговый элемент, вычисшггепьный блок дифференцирования н логический блок,, связанный через команцчьтй блок и nepe-i кточающие реле с задающими входами .регуляторов температуры, аэрации и киолотности среды в аппарате, расходомеры, установленные на линии подачи субстрата, титранта и пеногасителя, и блок измерения мощности, потребляемой при перемешивании f2j. Недостатком данной-системы является то, что она не обеспечивает максимально го экономического эффекта от процессов микробиологического синтеза продуктов вторичного метаболизма и высокой эффективности испопьзования затрат, поскольку затраты и потери целевого продукта при выделении и очистке его не учитываются при определении оптимальной длительности процесса. Целью изобретения является увеличение выхода целевого продукта. Указанная цель достигается тем, что система автоматического управления периодическим процессом, ферментации, содержащая контуры регулирования темпера туры, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик и блок задания оптимального значения измеряемого параметра, соединенные с регулятором непосредственно и через переключающие реле исполнительный механизм, контур определ кия оптимальной продолжительности процесса, включающий блок измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, последовательно соединенные таймер и пороговый элемент, вычислител ный блок, блок дифференцирования и логический блок, связанный через командный блок и переключающие реле с задающими входами регуляторов температуры аэрации и кислотности среды в аппарате, расходомеры, установленные на линии подачи субстрата, титранта и пеногасителя, и блок измерения мощности, потребляемой при перемещивании, снабжена блоком интегрирования расходов субстрата, ти-г транта, пеногасителя и мощности, потреб ляемой при перемещивании, блоками измерения времени подготовки аппарата к работе и связанными между собой посредством сумматора блоками формирования потерь целевого продукта и затрат, При этом последний соединен с выходами блока интегрирования расходов и мощности, связанными соответственно с преобразователями расходов и мощности, а вычислительный блок одним из своих входов подключен через умножитель к блоку измерения концентрации целевого продукта процесса .биосинтеза, другим при помощи переключающего реле подключен к пороговому элементу и дополнительному сумматору, связанному с блоком измерения времени подготовки аппарата к работе и таймеру, а третьим соединен с сумматором. На чертеже представлена блок-схема предложенной системы автоматического управления периодическим процессом ферментации. Система содержит контуры регулирования температуры подачи воздуха на аэрацию, кислотности среды и давления в ферменте 1, контур определения оптимальной продолжительности процесса, командный блок. Контур регулирования температуры включает датчик 2 температуры, выход которого подключен к переменному входу регулятора 3, к задающему входу которого подключен выход блока 4 задания оптимального значения температуры в аппарате посредством переключающего реле 5, выход регулятора 3 связан с исполнительным механизмом 6, установленным на линии подачи охлаждающей воды в змеевики или рубашку аппарата. Контур регулирования подачи возду-ха включает датчик 7 расхода воздуха, подключенный к переменному входу регулятора 8, к задающему входу которого подключен выход блока 9 задания оптимального значения подачи воздуха на аэрацию .посредством, переключающего реле 10, выход регулятора 8 связан с исполнительным механизмом 11, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию. Контур-регулирования кислотности среды в аппарате включает датчик 12рН- метра, подключенный к переменному входу регулятора 13, к задающему входу которого подключен выход блока 14 задания оптимального значения кислотности ереды в аппарате посредством переключак щего реле 15, выход регулятора 1 3 сое-. динен с исполнительным механизмом 16, установленным на линии подачи титранта, регулирующей величину рН культуральной жидкости в ферментере 1. Контур стабилизации давления в ферментере 1 содержит датчик 17, .связанный с переменным входом регулятора 18, задающий вход которого соединен с выходом командного блока 19, выход регулятора 18 связан с исполнительным меха-. нткзмом 20, установленным на линии отходящих ю ферментера газов. 59 Контур определения оптимальной продолжительности процесса включает блок 21 измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, подключенный к входу блока 22 умножения на постоянный коэффитшнт. Множитель объема культурапьной жидкости блока 22 умножения получен с учетом коэффициента заполнения ферментера. Выход блока 22 умножения подключен к вычислительному блоку 23. Один вход последнего посредством переключающего реле 24, управляющий вход которого подключен к выходу порогового элемента 25, соединен с сумматором 26, входы которого подключены к выходу таймера 27 и выходу блсжа 28 измерения времени подготовки ферментера к работе. Другой вход вычислительного блока 23 соединен с выходом сумматора 29, один вход которого подключен к блоку 30 формирования затрат, а другой вход - к блоку 31 формирования потерь целевого продукта. К блоку 30 формирования затрат подключены выходы блока 32 интегрирования расходов и мощ ности по числу входов блока 32, которые соединены- с датчиками 7,33-36 рас хода воздуха на аэрацию, расхода воды на охлаждение, расхода субстрата, расхода титранта, расхода пеногасителя и блоком 37 измерения мощности. На входы блоков 31 и 32 поступают сигналы от аппаратов других стадий технологического процесса, с учетом которых формируются суммарные затраты на получение и выделение целевого продукта, а также потери его, возникающие на стадиях выделения и очистки. Выход вычислительного блока 23 подключен на вход блока 38 дифференцирования, соединенного с логическим блоком 39, выход которого подключен к входу командного блока 19, выход которого одновременно связан с переключающими реле 5,10 и 15 и с исполнительным механизмом 4О слива культуральной жидкости. Система автоматического управления периодическим процессом ферментации работает следующим образом. С помощью блоков задания оптимального значения измеряемого параметра перед началом процесса ферментации задают оптимальные значения регулирования температуры расхода воздуха на аэр цию и кислотности среды в аппаратуре. Измерение текущего значения соответс-ьвуюшего параметра осуществляется с помощью датчиков 2,7 и 12. Сигнал с выхода последних поступает на регуляторы 316 3,8 и 13, где сравнт-вается с заданным значением, которое формируется с помошью блока задания оптимального для данного момента времени значения соответствующего параметра. Возникающий при этом сигнал рассогласования по каждому измеряемому парак1етру вызывает соответствующее изменение сигнала на выходе регуляторов 3,8 и 13, поступающее на вход исполнительных механизмов 6,11 и 16, с помощью которых изменяются расход воды на охлаждение, расход воздуха на аэрацию и расход гитранта, обеспечивающие оптутмальные условия процесса по температуре, величи- не рН и растворенного О как на стадии роста культуры, так и на стадии биосинтеза целевого продукта. Таким образом, с помощью указанных контуров рогулирования обеспечивается поддержание основных технологических napaN eTpoB на оптик аль- ном уровне. По мере дальнейшего протекания проиесса ферментации в связи с накапттающимися продуктами обмена и уменьшением количества питательных веществ скорость процесса биосинтеза начинает снижаться, а концентрация целевого про дукта продолжает медленно увеличиватьгся. Несмотря на то, что концентрация целевого продукта не достигла максимального значения, дальнейшее продолжение процесса оказывается нецелесообразным, поскольку в связи с невысокой скоростью процесса увеличения концентрации целевого продукта происходит незначительно, зато с увеличением длительности . процесса происходит увеличение текущих затрат на ведение процесса, причем максимальная производительность процесса, т.е. концентрация целевого продукта, деленная на время, складывающееся из времени подготовки ферментера к работе (Тп) в времени соответственно процесса ферментации (Тф), достигается в момент времени до получения максимальной концентрации целевого продукта. В связи с этим для определения момента оптимального окончания процесса одновременно с началом ведения процесса включается таймер 27, осуществляющий измерение длительности процесса. Поскольку для получения условий стер1тьности, необходимых для осуществления процесса ферментации в стерильных условиях, проводится ряд подготовительных операций по подготовке ферментера к работе, предшествующих собственно процессу биосин- теза, то время, затраченное на подгото&ку аппарата к работе, измеряется блоком 28 измерения времени подготовки аппарата к работе. Сигналы с выхода таймера 27 и блока 28, пропорпионапьные текущей длительности процесса биосинтеза и времени подготовки аппарата к работе, по ступают на сумматор 26, выход которого посредством переключающего реле 24 подключен к вычислительному блоку 23, В связи с большой длительностью процесс биосинтеза не имеет смысла производить определение момента оптимального око чануш процесса на первых часах роста культуры, поскольку затраты при этом превышают величину А(-Ь)- V- Ц, характеризующую выход целевого продукта биосинтеза. При нелинейной зависимости функционала во времени, характеризующего выход процесса ферм ентации, определение момента оптимального окончания процесса производится, .начиная с заданно го момента времени, устанавливаемого на пороговом элементе 25. Сигнал, пропорциональный длительности процесса, с выхода таймера 27 поступает на вход сумматора 26, где складывается с временем, затраченным на подготовку аппарата к работе, и одновременно на вход порогового элемента 25. При равенстве текущего.значения времени процесса биосинтеза заданному значению, установленн му на пороговом элементе 25, на выходе последнего возникает сигнал, поступак щий на управляющий вход переключающего реле 24, который с этого момента времени начинает коммутировать сигнал, пропорциональный текущей длительности процесса с выхода сумматора 26 на вход вычислительного блока 23, на который также поступает сигнал, пропориионалг ный количеству целевого продукта с выхо да блока 22 умножения, и сигнал, пропорциональнь й затратам и потерям целевого продукта, с выхода сумматора 29. С этого момента времени вычислительный блок 23 начинает определять величину отношения A{-t)V- Ц-3(-Ь)-Зо-Г Ц/ /Тф +ТУ,. Преобразованный сигнал, про, порциональный величине получаемого отношения, поступает на вход блока 38 дифференцирования. Если текущее значение скорости, определяемое с помощью блока 38 дифференцирования, не равно нулю, то логический блок 39 делает вывод о несоответствии длительности процесса моменту оптимального окончания его и процесс накопления продуктов биосинтеза продолжается. При этом сигнал на выход командного блока 19 равен нулю и сигнал на переключающие реле 5,10 и 15 не поступает. Последние продолжают коммутацто выходного сигнала блоков 4,9 и 14 на задающие входы регуляторов 3,8 и 13, которые с помощью исполнительных механизмов 6,11 и 16 осуществляют поддержание температуры, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в ферментере 1 на оптимальном уровне. При этом на входы блока 32 интегрирования расходов и мощности продолжают поступать сигналы с соответствующих датчиков 7, 33-36 расходов измеряемых потоков и блока 37 измерения расхода мощности. Согласно поступающим текугщгм значениям расходов и значениям, заданным от агша- ратов стадии выделен 1я и очистки, блок 30 формирует текущие затраты ча получение целевого продукта и последующей обработки слива культуральной жидкости, содержащей целевой продукт. Сигнал с выхода блока 30 формировашш затрат, а также преобразованный сигнал с выхода блока 29, пропорциональный потерям целевого продукта при выделении с очистки его на последующих технолотических ciaдиях, поступают на сумматор 20, с выхода которого, сигнал, пропорциональный потерям и затратам, поступает на вход вычислительного блока 23, на другие входы которого поступают также сигналы, пропорционапыа1е концентрации целевог о продукта и длительности ферментера к работе. Когда же процесс биосинтеза замедляется настолько, что скорость изменения отношения, определяемого в вычислительном блоке 23, становится равной нулю, то сигнал с выхода блока 38 ди(| ференпирования на вход логического блока 39 не поступает. В этом случае логический блок 39 делает вывод о соответствии длительности процесса биосинтеза моменту оптимального окончания его, который характеризуется тем, что значение вычисленного отношения в блоке 23 не изменяется. Выходной сигнал логического блока 39 при этом поступает на вход командного блока 19, который дает команду на переключение реле 5,10 и 15, которяые в этом случае прекращают комму ташпо сигнала с выхода блоков 4,9 и 14 на задающие входы регуляторов 3,8 и 13 и осуществляют коммутацию такого задания регулятором 3,8,13 и 18 с выхода командного блока 19, чтобы исполнительные механизмы 6,11,16 и 20 уста новшгась в положения, соответствующие окончанию процесса. Например, с помощью кспопнитепьного механизма б прекращается подача охлаждающей воды, с помощь исполнительного механизма 11 прекращается подача воздуха на аэрацию, с помощью исполнительного механизма 16 прекращается подача- среды, регулирующей величину рН культуральной жидкости в ферментере, а с помощью исполнительного механизма 2О осуществляется бло-кировка аппарата от окружающей среды. Одновременно сигнал с выхода командного блока 19 через лох-ический блок (не показано) , формирующего условие готовности последующей стадии к переработке очередного слива культуральной жидкости из ферментера 1, поступает сигнал, включающий исполнительный механизм 4О слива готовой культуральной жидкости. После окончания исполнительный механиз слива отключается.

Использование предлагаемой системы автоматического управления периодически процессом ферментации позволит повысит экономическую эффективность процесса и составит 34,4 тыс.руб. на одном ферментере, годовой объем производства составит 326400.

Формула изобретения

Система автоматического уттравления периодическим процессом ферментации, содерикащая контуры регулирования температуры, подачи воздуха на аэрацщо и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик и блок задания оптимального значения измеряемого параметра, соединенные с регулятором непосредственно и через переключающие реле, исполнительный механизм, контур определения оптимальной продолжительности процесса, включающий блок измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, последовательно соединенные таймер и пороговый элемент, вычислительный блок, блок дифференггарования и логический блок, связанный через командный блок и переключающие реле с задающими входами регуляторов температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате, расходомеры, установленные на пинии подачи субстрйта, титраята и пеногасителя, и блок измерения мощности, потребляемой при перемешивании, отличающаяся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта, она снабжена блоком интегр ровения расходов субстрата, титранта и гасителя и мощности, потребляемой при перемешивании, блоками HsMepeHVLq времени подготовки агтаратБ к работе и свя занными между собой посредством cyMixiaw тора блоками формтаованкш потерь цоиево го продукта и затрат, при этом последний соединен с выходами блока интегрирования расходов и мощности, связанными соответственно с преобразователями расходов и мощности, .а вычислительный блок сдшгм из своих входов подключен через умножитель к блоку измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, другим при помощи переключающего реле подключен к пороговому элементу и дополт-1тепьному сумматору, связанному с блоком iisMepeHvra времени подготовки аппарата к работе и таймеру, а третьим соединен с сумматором.

Источники инфopмaцvш,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 467099, кл. С 12 В 1/08, 1975.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2774111/13,

кл. QOST) 27/ОО, 1979.

Se

ffj

И

Ж

П

4, .Ф . . „

30

31