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

Изобретение относится к автоматическому, управлению процессами выращивания микроорганизмов, осуществляемыми в несколько стадий в периодически деПствующих аппаратах, и может быть использовано в производствах химико-фармацевтической и микробиологической промьииленности.

Известен способ автоматического определения момента окончания процесса биосинтеза, реализуемый устройством для контроля концентрации продуктов биосинтеза в периодических процессах выращивания микроорганизмов, заключающийся в измерении концентрации продуктов биосинтеза в ферментере через равные промежутки времени, сравнении текущегозначения концентрации с запомненным предыдущим значением и при превышении или равенстве последнего текущему значению концентрации судят об окончании или замедлении процесса биосинтеза Cl.

Недостаток данного способа заключается в том, что достижение максимсшьной величины концентрации продуктов биосинтеза в периодических процессах ферментации, включающих процессы выращивания микроорганизмов нескольких ступеней генерации

и собственно процесс получения целевого продукта, не всегда соответствует оптимальному окончанию каждого из этих процессов, что приводит к ухудшению оптимальных условий осуществления процесса получения целевого продукта и, как следствие, к снижению выхода целевого продукта и повышению текущих затрат.

10

Наиболее близким по технической сущности является способ автоматического управления периодическим процессом ферментации, заключакидийся в регулировании температуры, рас15хода воздуха на аэрацию, давления в аппарате каждой стадии в измерении концентрации биомассы на первой и второй стадиях выращивания биомассы и концентрации целевого продукта,

20 регулирования кислотности среды, концентрации растворенного в ней Кислорода на стадии биосинтеза целевого продукта и определении момента окончания последнего с учетом концентрации продукта и длительности процесса 2.

Недостатком данного способа управления является то, что не учитывается влияние предшествующих процессов выращивания микроорганизмов и процессов последующей технологической стадии производства на осущест вление и окончание процесса получения целевого продукта, что приводит К снижению производительности процесса и повышению текущих затрат. Цель изобретения - повЕлшение про изводительности процесса и снижение затрат. Поставленная цель достигается тем что согласно способу автоматическог управления периодическим процессом ферментации, заключающемуся в регулировании температуры, расхода воздуха на аэрацию, давления в аппарат каждой стадии, в измерении концентрации биомассы на первой и второй стадиях выращивания биомассы и концентрации целевого продукта, регулирозании кислотности среды, концен рации растворенного в ней кислорода на стадии биосинтеза целевого проду та, и определении момента окончания последнего с учетом концентрации целевого продукта и длительности процесса, измеряют длительность про цесса выращивания биомассы на перво стадииJ сравнивают с заданным значением и в зависимости от результата сравнения и концентрации биомассы Б аппарате корректируют момент окончания процесса первой стадии, определяют удельную скорость роста биомассы на второй стадии процесса, при этом момент окончания процесса выращивания биомассы на первой стад устанавливают по достижению максимального значения концентрации биомассы на этой стадии при длительнос ти процесса, не превышающей заданну на второй стадии - при отрицательно знаке производной максимальной удел ной скорости роста 6Horviaccb7 на этой стадии и окончание процесса получения целевого продукта осуществляют по максимальному значению ве.личины отношения прибыли, получаемой за цикл ферментации, к длительности процесса.. На чертеже представлена блок-схе ма системы автоматического управления периодическим процессом ферментации, реализующей данный способ. Система содержит контуры стабили зации температуры, давления и расхода воздуха .на аэрацию среды в инокуляторе 1, посевном аппарате 2 и ферментере 3, контуры стабилизации кислотности среды в ферментере 3 и регулирования концентрации растворенного в ней кислорода; устройство фиксации момента окончания про цесса выращивания биомассы в инокуляторе, включающее датчик 4 концент рации, блок 5 запоминания, блок б сравнё ния, таймер 7, осуществляющий измерение д.пительности процесса в инокуляторе, связанный с датчиком 4 концентрации, пороговый элемент 8, вход которого подключен к выходу таймера 7, а выход - ко входу логического элемента 9 ИЛИ, выход которого соединен с логическим блоком 10, связанным с командным блоком 11. Выход последнего подключен к исполнительному механизму 12, установленному на линии передачи среды из инокуляра 1 в посевной аппарат 2 и ко входу переключающего реле 13, к другому входу которого подключен блок 14 задания оптимального значения температуры в инокуляре 1. Контур стабилизации температуры в инокуляторе 1 включает датчик 15 температуры, выход которого подключен к переменному входу регулятора 16, к задающему входу которого подключен выход блока 14 задания оптимального значения температуры посредством переключающего реле 13, выход регулятора 16 связан с исполнительным механизмом 17, установленным на линии подачи охлаждающей воды. Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию состоит из датчика 18 расхода, подключенного ко входу регулятора 18, выход которого связан с исполнительным механизмом 20, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию. Контур стабилизации давления в инокуляторе 1 содержит датчик 21, подключенный к переменному входу регулятора 22, к задающему входу которого подключен выход командного блока 11, выход регулятора 22 связан с исполнительным механизмом 23, установленным на -линии отходящих из инокулятора газов. Устройство фиксации момента окончания процесса выращивания биомассы в посевном аппарате 2 включает датчик 24 концентрации, блок 25 измерения скорости изменения концентрации, подключенный к выходу датчика 24, блок 26 деления, один вход которого связан с выходом датчика 24 концентрации, а другой вход - с выходом блока 25 измерения скорости изменения концентрации, блок 27 запоминания, блок 28 сравнения, один вход которого соединен с выходом блока 26 деления, а другой вход подключен к выходу блока 27 запоминания, логический блок 29, вход которого подключен к выходу блока 28 сравнения, а выход - ко входу командного блока,-30; выход последнего подключен к исполнительному механизму 31, установленному на линии подачи среды из посевного аппарата в -ферментер и ко входу переключающего реле 32, другой вход которого связан с блоком 33 задания оптималь-, Horo значения температуры в посевном аппарате 2. Контур стабилизации температуры в посевном аппарате 2 включает датчик 34 температуры, выход которого подключен к переменному входу регулятора 35, к задающему входу которого подключен выход блока 33 задания оптимального значения температуры посредством переключающего реле 32, выход регулятора 35 связан с исполнительным механизмом 36, установленным на линии подачи охлаждающей воды Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию состоит из датчика 37 расхода, подключенного к регулятору 38, выход которого связан с исполнительным механизмом 39, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию. Контур стабилизации давления в посевном аппарате 2 содержит датчик 40, подключенный к переменному входу регулятора 41, к задающему входу которого подключен выход командного блока 30, выход регулятора 41 связан с исполнительным механизмом 42, установленным на линии отходящих из посевного аппарата 2 газов. Устройство фиксации момента окончания процесса биосинтеза в ферментере 3 включает датчик концентрации 43, таймер 44 и блок 45 умножения, подключенные к выходу датчика концентрации 43, первый, второй и -третий блоки 46-48 формирования уставки, первый блок 49 и второй блок 50 суммирования, подключенные соответственно к выходам блока 45 умножения, первого и второго блоков 46-47 формирования уставки, и выходам тай мера 44 и третьего блока 48 формирования уставки, выходы первого и второго блоков 49-50 суммирования подключены ко входу вычислительного блока 51, служащего для определения величины отношения прибыли к длител ности процесса, блок 52 запоминания и блок 53 сравнения, подключенные к вычислительному блоку 51, логический блок 54, связанный с командным блоком 55, выход которого подключен ко входам переключающих реле 56, 57 и 58, к другим входам которых подключены блоки 59-61 задания оптималь ного профиля температуры, концентрации растворённого кислорода и кислотной среды в ферментере 3. Контур стабилизации температуры в ферментере включает датчик 62 температуры, выход которого подключен к переменному входу регулятора 63, к задающему входу которого посредством переключающего реле 56 подключен выход блока 59 задания оптимального профиля температуры в ферментере, выход регулятора 63 связан с исполнительным механизмом 64, установленным на линии подачи охлаждгоощей воды. Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию состоит из датчика 65 расхода, подключенного к регулятору 66 стабилизации, расхода воздуха, выход регулятора связан с исполнительным механизмом 67, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию, и корректирующего, контура, включающего датчик 68 концентрации растворенного кислорода, выход которого подключен к переменному входу регулятора 69, к задающему входу которого посредством переклю- . чающего реле 57 подключен выход блока 60 задания оптимального профиля концентрации растворенного кислорода, выход регулятора 69 подключен к корректирующему входу регулятора 66. стабилизации расхода воздуха. Контур стабилизации рН среды в ферментере включает датчик 70 рН-метра, подключенный к переменному входу регулятора 71, к задающему входу которого посредством переключающего реле 58, подключен выход блока 61 задания оптимального профиля кислотности среды в ферментере, выход регулятора 71 соединен с исполнительным механизмом 72, установленным на ли- . НИИ подачи в ферментер 3 титранта . Контур стабилизации давления в ферментере 3 содержит датчик 73 давления, подключенный к переменному входу регулятора 74, к задающему входу которого подключен выход командного блока 55, выход регулятора 74 связан с исполнительным механизмом 75, установленным на линии отходящих из ферментера газов. Система содержит исполнительный механизм 76, расположенный на линии слива культуральной жидкости из ферментера 3. Система, реализующая данный способ автоматического управления периодическим процессом ферментации, работает следующим образом. В связи с уменьшением количества питательных веществ, скорость роста биомассы ( например мицелия ) в инокуляторе 1 снижается и в конце процесса становится близкой к нулю, хотя концентрация биомассы продолжает незначительно увеличиваться. Поскольку процесс роста биомассы в инокуляторе 1 является первоначальным в технологической линии стадии ферментации, то задачей в этом случае является накопление максимального количества биомассы за определенное время. Если концентрация биомассы увеличивается, то сигнап от датчика 4 концентрации увеличивается и поступает одновременно в блок 5 запоминания, блок 6 срав нения и на вход таймера 7, который одновременно с началом измерения концентрации биомассы включается в работу. С помощью блока 6 сравнения происходит сравнение текущего значения концентрации биомассы с результатом предыдущего значения концентрации, измеренной в иной момент времени. Если текущее значение концентрации больше предыдущего, то на выходе блока б сравнения сигнал равен нулю. Если при этом преобразова ный сигнал, пропорциональный текуще длительности процесса, ниже заданного значения, установленного на по роговом элементе 8, то на его выход сигнал также равен нулю. При этом сигнал с выхода элемента 9 ИЛИ на вход логического блока 10 не поступает . Последний делает вывод о несоответ ствин длительности процесса в иноку ляторе 1 моменту оптимального окончания его. Сигнал на выходе командного блока 11 равен нулю и командный сигнал на переключающее реле 13 на исполнительный механизм 12 и на задающий вход регулятора 22 не поступает. В этом случае продолжается коммутация на задающий вход регулятора 16 температуры выходного сигнала блока 14 задания оптимального значения температуры и с помощью исполнительных механизмов 17, 20, 23 осуществляется стабилизация на заданном оптимальном уровне температуры, расхода воздуха на аэрацию давления в инокуляторе 1. Когда же предыдущее значение концентрации окажется равным или больше текущего значения концентрации биомассы или значение сигнала, пропорционального длительности процесса, превысит заданное значение, установленное на пороговом элементе 8, то на выходе блока б сравнения или на выходе порогового элемента 8 возникает сигнал, который через элемент 9 ИЛИ поступает на вход логического блока 10, который формирует сигнал о целе сообразности окончания процесса рос та биомассы в инокуляторе 1. Выходной сигнал логического блока 10 в этом случае поступает на вход коман ного блока 11, с выхода которого по ступает сигнал на переключение реле 13, которое прекращает коммутацию сигнала с выхода блока 14 на задающий вход регулятора 16 и осуществля ет коммутацию такого задания регуляторами 16, 19, 22 с выхода команд ного блока 11, чтобы исполнительные механизмы 17, 20, 23 установились в положения, соответствующие окончанию процесса. При этом с ПОМОЩЬРО исполнительного механизма 12, установленного на линии подачи среды из инокулятора 1 в посевной аппарат 2, осуществляется передача выращенной биомассы в посевной аппарат 2. Сигнал от датчика 24 концентрации в посевном аппарате 2 поступает одновременно на вход блока 25 измерения скорости изменения концентрации и на первый вход блока 26 деления, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока 25 измерения скорости изменения концентрации. Сигнал, пропорциональный удельной скорости роста, с выхода блока 26 деления поступает на входы блока 27 запоминания, где запоминается и на вход блока 28 сравнения, где сравнивается через определенные промежутки времени с результатом предыдущего значения удельной скорости роста, вычисленной при измерении концентрации в иной момент времени. Процесс выращивания мицелия в посевном аппарате 2 предшествует процессу биосинтеза целевого продукта, протекающему в ферментере . Создание условий, благоприятных для интенсификации продуктообразования в ферментере 3, приводит к необходимости получения на предшествующей стадии выращивания, т.е. в посевном аппарате 2, максимального количества физиологически активного мицелия. Момент достижения максимального количества физиологически активного мицелия соответствует моменту появления отрицательного знака максимальной удельной скорости роста и является моментом оптимального окончания процесса в посевном аппарате 2. По достижению этого момента происходит старение культуры, что, в свою очередь, приводит к снижению количества физиологически активного мице ия. При этом если текущее значение удельной скорости роста микроорганизмов больше предыдущего, что соответствует положительному знаку производной, то на выходе блока 28 сравнения сигнал равен нулю. При этом логический блок 29 делает вывод о несоответствии длительности процесса моменту оптимального окончания его. Сигнал на выходе командного блока 30 не возникает и сигнал на переключающее реле 32, на задающиеся входы регуляторов 38 и 41 и на исполнительный механизм 31 не поступает. В этом случае с помошью регуляторов 35, 38 и 41 осуществляется стабилизация температуры, расхода воздуха и давления на заданном оптимальном уровне. По мере дальнейшего протекания процесса максимальная удельная скорость роста незначительно возрастает либо устанавливается постоянной и работа стабилизирующих контуров системы осуществляется по-прежнему.

В связи с ухудшающимися условиями развития культуры к.концу процесса выращивания происходит замедление накопления мицieaльныx клеток, В этом случае определяемое текущее значение максимальной удельной скорости роста оказывается меньше запомненного предыдущего значения. Снижение максимальной удельной скорости эквивалентно отрицательному знаку результата сравнения двух последовательно сравнигФ1х сигналов в блоке 28 сравнения, на выходе которого возникает дискретный сигнал, поступающий на вход логического блока 29, который делает вывод об отрицательном знаке производной максимальной удельной скорости роста. Выходной сигнал логического блока 29 поступает на вход командного реле 32, который прекращает коммутацию сигнала с выхода блока 33 на задающий вход регулятора 35 и осуществляется коммутация такого зад.ания регуляторами 35, 38 и 41 и сигнала на исполнительный механизм 31 с выхода командного блока 30, чтобы исполнительные механизмы 36, 39 и 42 установились в положения, соответствующие окончанию процесса, а с помощью исполнительного механизма 31 осуществляется передача засевной биомассы из посевного аппарата 2 в ферментер 3.

Значение концентрации целевого продукта, измеряемой в ферментере 3 датчиком 43, поступает на вход блока 45 умножения, где умножается на коэффициент, учитывающий степень заполнения аппарата.

Одновременно с началом осуществления процесса биосинтеза запускается таймер 44, изменяющий длительность процесса биосинтеза в ферментере. СигнсШ, пропорциональный длительности процесса, и сигнал, пропорциональный времени подготовки ферментера 3 к работе, поступающий с выхода блока 48 формирования уставки, посту-пают на вход блока 50 суммирования, выходной сигнал которого, пропорциональный суммарному времени цикла ферментации, поступает на один из входов вычислительного блока 51, на другой вход которого поступает сигнал с выхода блока 49 суммирования. На входы блока 49 суммирования поступают сигнал, пропорциональный количеству целевого продукта, с выхода блока 45 умножения и сигнал, пропорциональный потерям целевого продукта на последующих стадиях, технологического процесса, с выхода блока 46 формирования уставки, и сигнал, учитывающий затраты с выхо|да второго блока 47 формирования ;уставки. Поступающие сигналы алгебраически суммируются в блоке 49 суммирования, а выходной сигнал этого блока, пропорциональный величине прибыли, поступает на вход вычислительного блока 51. Сигнал с выхода последнего поступает на вход блока

52запоминания, где запоминается, и на вход блока 53 сравнения, где

0 сравнивается с результатом предыдущего вычисления, выполненного при измеренной концентрации в иной момент времени процесса ферментации. ЕСЛИ текущее значение отношения больше предыдущего, то на выходе

5 блока 53 сигнал равен нулю. При этом логический блок 54 делает вывод о несоответствии длительности процесса биосинтеза моменту оптимального окончания его. Сигнал на выходе команд0ного блока 55 равен нулю и сигнсШ

на переключающие реле 56, 57, 58 не поступает. Последние продолжают коммутацию выходного сигнала блоков 59, 60 и 91 на задающие входы регу5ляторов , которые с помощью исполнительных механизмов 64, 67 и 72 осуществляют поддержание температуры, концентрации растворенного кислорода и кислотности среды в ферментере 3

0 на оптимальном уровне.

Когда же предыдущее значение отношения окажется равным или больше текущего значения отношения на выхоле блока 51, то на выходе блока

5

53сравнения возникает сигнал, поступающий на вход логического блока

54,который делает вывод о достижении максимального значения величины отношения.

0

Выходной сигнал логического блока

54поступает на вход командного блока 55, который выдает сигнал на переключение реле 56, 57 и 58, которые

5 в этом случае прекращают коммутацию сигнала с выхода блоков 59, 60 и 61 на задающие входы регуляторов 63, 69, 71 и осуществляют коммутацию такого задания регуляторам 63, 69, 71 и 74 с выхода командного блока

0

55,чтобы исполнительные механизмы 64, 67, 72, 75 установились в положения, соответствующие окончанию процесса. Например, с помощью исполнительного 64 прекра5щается подача охлаждающей воды, с помощью исполнительного механизма 67 прекращается подача воздуха на аэрацию, с помощью исполнительного механизма 71 прекращается подача

0 среды, регулирующей кислотность культуральноп жидкости в ферментере 3, ас помощью исполнительного механизма 75 осушествляется блокировка аппарата от окружающей среды.

5 При этом сигналом с выхода блока 55

включается исполнительный механизм 76 олива культуральной жидкости из ферментера 3.

Использование данного способа автоматического управления периодическим процессом ферментации позволит повысить производительность процесса на 2% и снизить текущие затраты.

Формула изобретения

Способ автоматического управления периодическим процессом ферментации, заключающийся в регулировании температуры, расхода воздуха на аэрацию, давления в аппарате Кс1Ждой стадии, в измерении концентрации биомассы и на первой и второй стадиях выращивания биомассы и кон|центрации целевого продукта, регулировании кислотности среды, концентрации растворённого в ней кислорода на стадии биосинтеза целевого продукта и определении момента окончания последнего с учетом концентрации целевого продукта и длительности процесса, отличающийс я тем, что, с целью повышения производительности процесса и снй|жения затрат, измеряют длительност ,процесса выращивания биомассы на первой стадии, сравнивают с заданнь значением и в зависимости от результата сравнения и концентрации биомассы в аппарате корректируют момент окончания процесса первой стадии, определяют удельную скорость роста биомассы на второй стадии процесса, при этом момент окончания процесса выращивания биомассы на первой стадии устанавливают по достижению максимального значения концентрации биомассы на этой стадии при длительности процесса, не превышающей заданную, на второй стадии - при отрицательном знаке производной максимальной удельной скорости роста биомассы на этой стадии и окончание процесса получения целевого продукта осуществляют по максимальному значению величины отношения прибыли, получаемой за цикл ферментации, к длительности процесса.

Источники информаци1|, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР f 467099, кл. С 12 М 1/36, 1975.

2.Авторское свидетельство СССР

кл. G 05 D 27/00, 1979.

№819800

Hamtpuofl