Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов Советский патент 1982 года по МПК G05D27/00 

Изобретение относится к системам автоматического управления процессом непрерывного выращивания микрооргани мов и молсет .быть использовано на пре приятиях микробиологической npoi naленности, например, при производстве кормовых дрожжей. Известны системы для автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащие контуры регулирования подаЧи Воды на разбавление, объема культуральной среды; и подачи питател ных веществ, блок расчета расхода питательных веществ, связанный с рас ходомером воды на разбавление и датчиком объема, осуществляющие изменение расхода вода на разбавление в соответствии с расходом питательной среды и концентрацией питательных веществ Г 1 и . Недостатком систем для автоматического управления биосинтезом микро 10рганизмов применительно к процессу непрерывного выращивания кормовых дрожжей является нестабильность поддержания основных параметров процесса, что обусловливает снижение эффек тивности использования питательной среды и.роста биомассы. Изменение состава и концентрации питательных веществ, подаваемых в ферментер, не обеспечивает оптимального ведения процесса, стабильного качества выходного продукта, что затрудняет его дальнейшую переработку, селекцию выращиваемого вида культуры микроорганизмов, его сепарирование. Управление процессом непрерывного выращивания микроорганизмов по величине экономического коэффициента использования, т.е. отношению выращенн. нойбиомассы к количеству исйользованного субстрата, также не дает высокой точности поддержания заданного качества вьгращенной биомассы, так как этот коэффициент зависит от содержания компонентов субстрата и его постоянно необходимо корректировать, что. составляет известную трудность из-за отсутствия надежных датчиков концентрации. Наиболее близким техническим решением является система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая блок определения скорости роста микро.организмов, связанный с датчиками рас.ходов питательной среды и нейтрализующего раствора, датчики расхода воздуха подаваемого в ферментер, содер жания кислорода в отходящих газах и кислотности питательной среды, узлы стабилизации тe шepaтypы, объема и кислотности культуральной среды i23j. Недостатком этой системы автомати ческого управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов является то, что она не может обеспечи необходимой точнос и управления и эф фективного использования питательног субстрата, так как не может компенси ровать возллущения, возникающие при изменении состава и концентрации пит тельной среды. Данная система оппепе ляет скорость роста микроорганизмов в ферментере по разности расходов субстрата и аммиачной воды. При этом аммиачная вода используется одновременно как для регулирования кислотно ти культуральной среды в ферментере, тдк и для стабилизации кислотности . субстрата, но при этом в системе не учитывается концентрация микроорганизмов в ферментере. При изменении свойств подаваемой питательной среды система не может полностью ском « пенсировать возмущения, что снижает эффективность использования питатель ной среды-и качество выхода биомассы Цель изобретения - оптимизация процесса непрерывного выращивания микроорганизмов, снижения удельного расхода питательных веществ и повышения прод ктивности по биомассе. Указанная цель достигается тем, что система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая блок определения скорости роста микроорга низмов , связанный с датчиками расходов питательной среды и нейтрализующего раствора, датчики расхода воздуха, подаваемого в ферментер, содержания кислорода в отходящих газах и кислотности питательной среды, узлы стабилизации температуры, объема и кислотности культуральной среды, дополнительно снабжена блоками управления расходом и концентрацией питатель ной среды, блоками определения удельной скорости роста и концентрации микроорганизмов в ферментере, блоком динамической связи и функциональным блоком, входы которого соединены с выходами датчиков расхода воздуха и содержания кислорода, а выход - с вхо дом блока концентрации микроорганизмов, к другому входу которого подключен блок определения скорости их роста, дополнительно связанный с датчиками кислотности питательной и культуральной среды, причем выход блока концентрации микроорганизмов соединен с входами блоков управления расходом питательной среды и определения удел ной скорости роста микроорганизмов, последний своим вторым входом связан с блоком скорости роста, а выходом с блоком управления концентрацией питательной среды, другой вход которого подключен к блоку динамической связи, соединенному с выходом блока управления.расходом питательной среды, а выхо,цы блоков управления связаны с соответствующими исполнительными механизмами на линиях подачи . питательной среды и воды для разбавления. На чертеже изображена блок-схема, реализующая систему автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов. Свежая питательная среда - субстрат, продукт предыдущего технологического процесса, например,.Целлюлозно-бумажного производства, обогащенная солями, подается в дрожжерастительный аппарат - ферментер, откуда культуральная среда - бражка отводится на сепараторы. Сепараторы и аппараты варки целлюлозы на чертеже не показаны. Состав и концентрация питательных веществ меняются в зависимости от режима варки целлюлозы. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы увеличивают кислотность культуральной среды. Для компенсации разбаланса кислотности в ферментер подается нейтрализующий раствор аммиачная.вода. Для компенсации изменений концентрации (субстрата в линию его подачи подается вода. С целью обеспечения устойчивости характеристик процесса непрерывного выращивания микроорганизмов, а также компенсации возмущений на процесс их роста, предварительно стабилизируются .такие режимные параметры, как температура культуральной среды, ее кислотность и объем в ферментере. Температура средЕЛ в ферментере стабилизируется путем воздействия на расход охлаждающей воды, пропускаемой через холодильник. Изменение расхода воды на охлаждение осуществляется по сигналу датчика 1 температуры культуральной среды, подключенного на вход регулятора 2, который воздействует на связанный с ним исполнительный механизм 3, установленный на линий подачи охлаждающей воды. Кислотность культуральной среды, которая меняется как от изменения состава субстрата, подаваемого в ферментер, так и в связи с процессом роста и жизнедеятельности микроорганизмов, стабилизируется путем воздействия на расход аммиачной воды. Изме-, нение кислотности среды в ферментере фиксируется датчиком 4 , который соединен с регулятором 5, сочлененным с исполнительным механизмом б на линии подачи аммиачной воды. Расход нейтрализующего раствора измеряется расходомером 7. На изменение кислотности культуральной среды оказывают влияние с одной стороны жизнедеятельность микроорганизмов, а с другой стороны расходы нейтрализуюшего раствора, питательной среды и ее кислотность. Таким образом-, блок 8 определения скорости роста микроорганизмов сво ими входами соединен с датчик 1 7 расхода нейтрализующего раствора (Q нр )/ датчиком 9 расхода питатель ной среды (Qnc )/ датчиком 4 кислот ности культуральной среды (рН) и датчиког1 10 кислотности питательной среды fpHfij 1 и вырабатывает сигнал, пропорциональный следуюиему соотношению;V - КаСрНкс- Hpc)QncD. в процессе роста микроорганизмов изменяется содержание кислорода в отходящих газах, зависящее также от количества воздуха, подаваемого в фе ментер для непрерывного выращивания микроорганизмов. По изменению содер жания кислорода в отходящих газах и скорости роста микроорганизмов в совокупности можно судить о конце рации биомассы в ферментере. Для этого служит блок 11 концент рации микроорганизмов в ферментере, который своими входами соединен с блоком 8 и функциональным блоком 1 последний связан с датчиком 13 расх да воздуха и датчиком 14 содержания кислорода в отходящих газах. На выходе блока 11 формируется сигнал в соответствии с уравнением: С„с K3Qp(21 - СО.) - КдУ, где С(, - концентрация микроорганизмов в культуральной среде - концентрация кислорода в отходящих газахI 21 -концентрация кислорода в воздухе; Q - количество воздуха, подаваемого в ферментер, V - скорость роста микроорганизмов ; коэффициенты. С другой стороны о состоянии процесса непрерывного выращивания микроорганизмов наибольшей информативностью обладает сигнал, характеризующий удельную скорость роста микроорганизмов . Удельная скорость роста микроорганизмов отргокает также изменения концентрации питательной среды в ферментере. Оптимизация процесса выращивания микроорганизмов осуществляется путем стабилизации на оптимальном значении удельной скорости роста микроорганизмов в ферментере, что достигается путем регулирования расходов субстра та и воды на его разбавление в ферментер.. Если удельная скорость роста микроорганизмов выше заданной, то необходимо снижать концентрацию подаваемого субстрата, если ниже заданной - уменьшать подачу воды на разбавление субстрата. Сигнал, пропорциональный удельной) скорости роста микроорганизмов, формируется в блоке 15, который соединен своими входами с блоками 8 и 11, в соответствии с уравнением: V Расход субстрата в ферментер регулируется блоком 16 управления, который получает сигнал от блока 11гИ, воздействуя на исполнительный механизм 17, связанный с ним и установленный на линии подачи субстрата, изменяет его подачу, восстанавливая тем самым концентрацию микроорганизмов в культуральной среде. Расход воды на разбавление субстрата регулируется блоком управления 18, который своим входом соединен с блоком 15 и через блок динамической связи 19 - с блоком управления 16, а выходом - с исполнительным меха- -НИЗМОМ.20, установленным на линии подачи воды. Блок 19 служит для улучшения динамических характеристик, системы, корректируя соотношение субстрат-вода в переходном режиме управления. Объем культуральной среды в ферментере . стабилизируется на заданном уровне регулятором 21, который воздействует на связанный с ним исполнительный механизм 22, в соответствии с сигналом датчика 23. Использование предлагаемой системы автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов обеспечивает по сравнению с известной системой оптимальное управление процессом, снижение удельного расхода питательных веществ, по|вышение производительности дрожжерас трггельного аппарата и повышение качества выходного продукта. Это достигается за счет поддержания удельной скорости роста и концентрации микроорганизмов на оптимальных значениях. По сравнению с базовым объектом пред- . лагаемое изобретение обеспечивает снижение расхода питательных веществ в среднем на 2,7-3% и повышение производительности за счет уменьшения времени переходных процессов на 1-1,5%.Экономический эффект от использо.вания предлагаемой системы составляет 51,8 тыс.руб. Формула изобретения Система автоматического управления процессом непрерывного выращива