Способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов

(72) Ю.Ю.Базявичюс, РУГорелик, Ю-К.Ю.Станишкис и С.Ю.Дайлиде (71) Ленинградское специализированное пуско-наладочное управление треста фСевзапмонтажавтоматика (53) 663.132(088.8)(56) 1. Рвторское свидетельство сссР .Р 424875, кл. С 12 Я 3/00, 19722. Рвторское свидетельство СССР Р 522228, кл. С, 12 9 3/00, 1972. (54)(57) СПОС(Ж АВТОМАТИЧЕСКОГО УП-РАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматривающий изм рение расхода и кислотностн питательного субстрата, расходов аммиачной 3 воды и воздуха, подаваемых на культивирование, содержание кислорода в отТЩННЫЙ НОМИТЕТ СССРИЗОБРЕТШИЙ И ОТНРЫТЮ С 12 Е 3 00/ С, 05 В 27/а ходящих газах, кислотности, температуры и объема кулЬтуральной жидкости,стабилиэацию кислотности, температуры и объема культуральной жидкости путем воздействия соответственно на расходы аммиачной воды, охлаждающей водыи культуральной жидкости, и регулирование расхода и онцентрации питательного субстрата и расходов минеральных солей н воздуха, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повыиения точности, определяют удельную скорость роста микроорганизмов и изменяют расходы воды, подаваемой на разбавление, и минеральных солей, при этом их изменение и изменение .расхода воздуха, подаваемого на культивирование, осуществляют с учетом удельной скорости роста микроорганизмов.Изобретение относится к способам управления процессом культивирова автоматического управления процессаМи ния микроорганизмов, предусматриваюкультивирования микроорганизмов и мо- щему измерение расхода и кислотностижет быть использовано на предприятиях питательного субстрата, расходовмикробиологической дромьиаленности, на- аммиачной воды и воздуха, подаваемыхпример, при производстве кормовых 5 на культивирование, содержание кисло- дрожжей, рода в отходящих газах, кислотности,Известен способ автоматического температуры и объема культуральной управления процессом непрерывного вы- жидкости, стабилизацию кислотности, ращивания микроорганизмов, предусмат- температуры и объема кулътуральной ривающий регулирование подачи компо жидкости путем воздействия соответнетанапример,питательной среды, в ственно на расходы аммиачной воды, зависимости от тепловыделения, опре- охлаждающей воды и культуральной деляемого по распределению темпера- жидкости, и регулирование расхода и турного поля в хультуральной жидкос- концентрации питательного субстрата ти и характеризующего рост микроор и расходов минеральных солей и воздуганизмов 1 1. ха, определяют удельную скорость росОднако этот способ не обеспечивает та микроорганизмов и изменяют расходостаточной точности управления, так ды воды, подаваемой на разбавление, как изменение температурных условий и минеральных солей, при этом их внешней среды оказывает существенное 20 изменение и изменение расхода воэдувлияние на теплообмен и тейловццеле- ха, подаваемого на культивирование, ние в процессе роста и жизнедеятель- осуществляют с учетом удельной ско;,. ности микроорганизмов, а кроме того, рости роста микроорганизмов.изменение состава питательной среды На чертеже прадставлена блок-схетакже не может быть скомпенсировано 25 ма, иллюстрирующая способ автоматииэменением расхода питательной среды ческого управления процессом культиили скорости потока через ферментер вирования микроорганизмов. по измененной скорости роста микро- Нитательный субстрат совместно организмов,что также снижает точность с питательными. солями и воздухом управленияподаются в ферментер, откуда культуНаиболее близким к изобретению ральная жидкость отводится для даль- техническим решением является способ нейшей переработки. Состав и концентавтоматического управления процессом рация питательных .веществ меняется культивирования микроорганизмов,пред- в зависимости от предыдущего.технолоусматривающий измерение расхода и ги 4 еского процесса, например режима5 екислотности питательного субстрата, 5 варки целлюлозы. В процессе роста расходов аммиачной воды и воздуха, микроорганизмовувеличивается кислот- подаваемых на культивирование, содер- ность культуральной жидкости, для жанне кислорода в отводящих газах, компенсации изменений которой в феркислотности, температуры и объема куль ментер подается аммиачная вода. Для туральной жидкости путем воздействия 40 компенсации изменения субстрата в линию соответственно на расходы аммиачной его подачи подается водаводы, охлаждающей воды и культураль- Температуру среды в ферментере станой жидкости, и регулирование расхода билизируют путем воздействия на расход и концентрации питательного субстра- охлаждающей воды, осуществляемой с та и расходов минеральных солей и 45 помощью регулятора 1 путем воздействия воздуха Г 2 . его на исполнительный механизм 2 в соНедостатком известного способа ответствии с величиной сигнала, изме- является то, что он не может обеспе- ряемого датчика 3 температуры культучить необходимую точность управления, ральной жидкости в ферментере. эффективность использования питатель" 50 Кислотность культуральной жидкости ного субстрата и качество выходного стабилизируют путем воздействия на продукта, так как не может компенси- Расход аммиачной воды, при этом изме- ровать возмущения, возникшие, напри- нение расхода аммиачной воды осуществ- . мер, при изменении состава и кон- ляют регулятором 4, воздействующим на центрации питательного субстрата, исполнительный механизм 5 в соответтак как скорость роста микроорганиз- ствии с сигналом датчика б кислотносмов также зависит от концентрации ти культуральной жидкости, при этом микроорганизмов, которая меняется изменяют расходомером 7 расход аммиач. от изменения управляющих воздействий ной воды.расхода субстрата в Ферментере иОбъем культуральной жидкости в равного ему расхода отводимой из ферментере стабилизируют путем возФерментера культуральной жидкости, действия на отвод бражки, выпускаеЦель изобретения - повышение точ- ;мой из Ферментера, а ее изменение н ".ти. осуществляют регулятором 8 посредствомУказанная цель достигается тем, воздействия на испольнительный мехачто согласно способу автоматического 65 ниэм 9 в соответствии с величинойрации биомассы от ее среднего значения составляет 0,77 г/л. При этом отклонение концентрации биомассы .От ее среднего значения уменьшается на 13,6.Тираж 523 Подписноеород,ул.Проектная,4 сигнала, измеряемого датчиком 10 объема среды в Ферментере.Для формирвания сигнала, пропорционального удельной скорости роста, определяют сигналы, пропорциональные скорости роста и концентрации микро.организмов в ферментере, так как в процессе роста микроорганизмы увеличивают кислотность среды, для компенсации которой подают нейтралиэирукщий раствор, при этом скорость 10 изменения рН характеризует скорость роста микроорганизмов, а следовательно, и расход, аммиачной воды также зависит от последней и сбответствует ей. 15Кроме того, на рН среды влияет поток субстрата, значение рН которого .может отличаться от рН среды. С учетом указанных факторов скорость, роста микроорганизмов в ферментере ;р определяют таким образом: 1 аб 2 (Хнкс 3 НПс)фпс 1, (1)где Ю - расход аммиачной воды;йп - расход питательного субстрата;уН- кислотность культуральнойжидкости;тН - кислоТность питательной срепсды;К 1 и К - коэффициенты,В йроцессе жизнедеятельности ироста микроорганизмов изменяетсясодержание кислорода в отходящихгазах . При прочих равных условиях З 5оно зависит также от количества воздуха, подаваемого на культивирование,Используя полученную информацию оскорости роста микроорганизмов всОВОкупнОсти мОжнО судить и кОнцентрации микроорганизмов в ферментере.Сигнал,о концентрации микроорганизмов Форми Уется следующим образом 1Фгде Яз - расход воздуха; 45С- содержание кислорода в отвоОдящих газах;С - содержание кислорода в воэЬОдухе;Ки К- коэффициенты.50Удельная скорость роста микроорганизмов обладает большей информативностью о изменениях концентрации питательной среды в Ферментере,чем абсолютная скорость роста микроорганизмов,Сигнал, соотвеТствукщий удельной ,.55скорости роста микроорганизмов, определяется иэ соотношения.: ч)с 3)Сигнал, пропорциональный скорости Щ роста микроорнагизмов, формируют в . блоке 11 согласно уравнению (1) по сигналам от датчика 6 кислотностиВНИИПИ Заказ 10159 28 филиал ППП "Патент", г.ужг культуральной жидкости, расходомера7 аммиачной воды, расходомера.12 питательного субстрата и датчика13 кислотности питательного субстрата. С выхода блока .11 сигнал поступает на вход блока 14, в котором всоответствии с уравнением (2) определяют концентрацию микроорганизмовв Ферментере. На другие входы блока14 подаются сигналы от датчика 15содержания кислорода в отходящихгазах и расходомера 16 воздуха, по- .,даваемого на культивирование. С дру,-.гого выхода блока 11 и выходной сигнал с блока 14 подаются на вход блока 17, в котором. Формируется сигнал, пропорциональный удельной скорости роста микроорганизмов, согласно уравнению (.3) оптимальное управление процессом непрерывного выращивания микроорганизмов осущеятвляют путем стабилизации на оптимальном уровне удельной скорости роста микроорганизмов в ферментере.Если удельная скорость роста микроорганизмов выше заданного оптимального значения, концентрацию питательного субстрата уменьшают, что достигают путем увеличения расхода воды на разбавление, а если ниже заданно" го значения, расход воды уменьшают. Управлякщие сигналы от блока 17 поступают на регулирующие блоки 18-20 концентрации питательного субстрата расхода минеральных солей и расхода воздуха соответственно. Необходимые для культивирования количесжва раст- вора минеральных солей и аэрирукщего воздуха,соответствующие перерабатываемым РВ, находят иэ уравнения материального баланса, Управлякщий сигналс блока 18 поступает на исполнительный механизм 21, установленный налинии подачи воды на разбавление питательного субстратаСигналы с регулирукщих блоков 19 и 20 поступаютна исполнительные механизмы 22 и 23изменения подачи минеральных солейи воздуха. Расход подаваемого в Ферментер питательного субстрата поддерживают на оптимальном заданномрначении регулирукщим блоком 24 путем воздействия на исполнительныймеханизм 25. На линиях материальныхпоступлений в Ферментер расходомеры 12,16,26 и 27 позволяют контролировать отработку заданных команд. В результате реализации предлагаемого способа по сравнению с известным точность увеличивается в 8,5 раэ, т.е. максимальное отклонение концент