Система автоматического управления процессом культивирования аэробных микроорганизмов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик .(22) Заявлено 300981 (2 ) 3341298/28-13 с присоединением заявки Мо(23) Приоритет Государственный комитет СССР по дедам изобретений н открытий(541 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМКУЛЬТИВИРОВАНИЯ АЭРОБНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВИзобретение относится к управленик, ироцессом культивирования микроорганизмов и может быть использовано в пищевой, медицинской и микробиологической йромыаленностях.Известна система автоматического уйравления процессом культивирования микроорганизмов, содержащая ферментер с линией подачи воздуха и мешалкой, исполнительный механизм для управления мешалкой и линией подачи воздуха, датчики определения количества.кислорода во входящем воздухе и отработанных газах, блок определения разности кислорода во входящем и отработанных газах, датчики определения концентрации биомассы и концентрации синтезируемого целе" вого продукта.В данной системе производится автоматическое . регулирование пода чи аэрирующего воздуха и скорости вращения мешалки ферментатора в зависимости от концентрации биомассы, синтезирующего продукта и разности содержания кислорода в аэрирующем воздухе и выходящем газе 1.Недостатком известной системы ав. томатического управления процессом культивирования является то, что ав.томатнческое управление подачей воздуха и скоростью вращения мешалкийе Обеспечивает оптимальные условиядля биоаинтеза метаболита с учетомоокислительно-восстановительного потенциала ЕЬ, Цля многих процессовмикробного синтеэа оптимальными являются такие условия, при которых 10 .парциальное давление растворенногокислорода - рО находится в той области, где его измерение имеющимисясредствами (мембранными датчиками)затруднено. Именно в этой области 15 изменения рО .эффективно измеряется ЕЬ, но эта величина зависит какот рОо , так и от рН среды, что видно иэ выражения 20 ЕЬ=Е Ь- =Е- - РИ+ - ЬрО йУ Осе КТ КТ рОз о4ре, включающая регулируемый приводскорости вращения мешалки, управляемый клапан, установленный на линииПодачи воздуха на аэрацию, датчик рНсреды, датчик окнслительно-восстановительного потенциала и программныйблок, подключенный к входу блокаанализа, выход которого соединенсФормирователем управляющих сигнагазовая постоянная, равная 8,314 107 эрг/град хх моль;абсолютная температура,число Фарадея, равное96500 Кл фактивность ионов гндрокснла,парцнальное давлениерастворенного кислорода. Т Е лов, снабжена коммутатором, суммато 10 ром, широтно-импульсным модулятором Наиболее близким техническимрешением к изобретению являетсясистема автоматического управленияпроцессом культивирования аэробныхмикроорганизмов.в ферментере, включающая регулируемый привод скоростивращения мешалки, управляемый клапан, .установленный на линии подачивоздуха на аэрацйю,датчики рН среды и окислительно-восстановительногопотенциала, программный блок, подключенный к входу блока анализа,выход которого соединен с формирователем управляющих сигналов. Даннаясистема осуществляет контроль и регу.лирование рН и окислительно-восстановительного потенциала среды. также осуществляется регулирование числа оборотов мешалки и подача воздуха на аэрацию с учетом величиныприроста концентрации живых организмов и отношения концентраций живыхорганизмов и концентрации биомас-сы Г 2Недостатком этой системы являетсято, что не исключается .возможностьсамовозбуждения, за счет чего снижается эффективность автоматического регулирования,Кроме того, отсутствие синхрон. ности между скоростью вращения ме.шалки и подачей аэрирующего воздуха может привести к такому состоя-.нию, когда для достижения одной цели мешалка вращается с крайней максимальной или минимальной скоростью,а аэрация в это время автоматическиустанавливается на таком крайнемуровне, который противодействует перемещению, что приводит к прекращениюрегулирования и отсутствию деполяризации электрода, измеряющего окислительно-восстайовительный потен-циал ЕЬ, и снижает точность измерения, а тем самым - точность автоматического регулирования. Все перечисленные недостатки известной системыавтоматического управления процессом культивирования микроорганизмовявляются причиной снижения выходацелевого продукта,Целью изобретения является увеличение выхода целевого продукта.Поставленная цель достигается тем,что система автоматического управления процессом культивированияаэробных микроорганизмов в ферменте и генератором синхроимпульсов, выход последнего подключен к входублока анализа и одному из входов коммутатора, другой вход которого соеди 15 нен с датчиком окислительно-восстановительного потенциала, а выход - с сумматором, причемвход последнего связан с датчиком рН бреды, а выход - с входом блока анализа, при этом вход. связанного через тахогенератор с приводом мешалки широтно-импульсного модулятора подключен к входу формирователя управляющих сигналов,соединенного с приводом мешалки, авыход широтно-импульсного модуляторасвязан с управляемым клапаном, установленным на линии подачи воздуха, на аэрацию. Кроме того, система снабжена генеЗО ратором деполяризационных импульсов, вход которого связан с генератором . синхроимпульсов, а выход - с коммутатором,На чертеже показана схема предло женной системы автоматического управления процессом культивирования аэроб а выход блока, анализа - с входом формирователя 11 управляющих сигналов.Выход формирователя 11 управляющих 60.сигналов подключен к входу широтноимпульсного модулятора 12, выходом связанного с управляющим входом клапана 13 и к двигателю 14, вал которого связан с валом мешалки 15 и с 65 валом тахогенератора 16, соединенных микроорганизмовВ ферментере,1 вмонтирован датчик 2 измерения окислительно-восста О новительного потенциала ЕЬ, который .через коммутатор 3 подключен к одному из входов сумматора 4, второйвход которого соединен с выходом датчика 5 рН среды, вмонтированного так же в ферментере 1. Выход сумматора 4подключен к входу блока анализа, состоящего из двух узлов б и 7 храйе ния информации, сумматора 8 и порогового ключа 9, причем один из вхо- О дов блока анализа является вход узла б хранения информации, выходомсвязанного с сумматором, выход которого через пороговый ключ подключенк входу узла хранения информации.Второй вход блока анализа, которым является вход сумматора 8, связан с выходом программного блока 10,ного выходом с входом широтно-импульсного модулятора 12Выход генератора 17 синхроимпуль-, сов подключен к входу коммутатора 3, к входдм узлов би 7 хранения информации блока анализа и к запускающему входу генератора 18 деполяризованных импульсов, выход которого че-, рез коммутатор 3 соеднйен с датчиком 2 окислительно-восстановительного потенциала.Датчики рО и др, на чертеже не показаны для упрощения чертежа.Система работает следующим образом.Выходной сигнал с датчика 2, со" ответствующий ЕЬ раствора, поступает на вход суьеюатора 4 через коммутатор .3.Потенциал электродной системы дат. чика 2 для измерения ЕЬ, как это.отмечено выае, зависит .от рО и РН в растворе. Вследствие поляризации по". Е тенциал электрода датчика 2 произвольно меняетсяДуя устранения этого датчик 2коммутаторов 3 с периодом 3-10 сотключается от сумматора 4 и подключается к генератору 18 деполяризационных импульсов, срабатывающему.от управляющего импульса генератора 17 синхроимпульсов. Происходитденоляризация, т.е. токовое разрушение, верхнего молекулярного слояэлектрода, после чего чувствительность его возобновляется н он вновькоммутатором 3 подключается к входусумматора 4.На вход сумматора 4 поступает также сигнал с датчика 5 отражающийрН среды, что приводит к устранениювлияния изменения рН среды на ЕЬ,поэтому выходной сигнал сумматора 4.отражает уже не ЕЬ, а гН" рн.Скорректированный в сумматоре 4сигнал заряжает узел.б хранения ин-формации блока анализа.после приходана управляющий вход узла б храненияийформации управляющего импульса сгенератора 17 синхроимпульсов.Сигнал от .узла б хранения информации поступает на первый вход сумматора 8, на второй вход которогопоступает установленное напряжениес программного блока 10. Выходнойсигнал сумматора 8 следует на входпорогового ключа 9. При превьмеииипорога, определяемого зоной нечувствительности системы, сигнал поступает на вход узла 7 хранения информации, блока анализа, который послеприхода от генератора 17 синхроим-ъпульсов управляющего импульса, изменяет свой заряд,Выходной сигнал узла 7 храненияинформации, работающего в режиме интегратора, поступает на вход .Формирователя 11 управляющих сигналов.С выхода Формирователя управляющих сигналов поступают корректирующие сигналы на вход привода 14,вследствие чего изменяется интенсивность перемешиаания,изменяется ЕЬраствора, выравниваются сигналы отузла б хранения информации и програм.много блока 10, система устанавлива 10 ется в заданный режим.Так как выходное напряжениетахогенератора 16 изменяется пропорционально скорости вращения мешалки 15,то меняется и длительность (широта)35 выходных импульсов широтно-импульсно.го модулятора 12 и, следовательно,суммарная пропускная способностьуправляющего клапана 13, установленного на линии подачи воздуха на аэра 2 О цию, причем каждой скорости вращениямешалки 15 соответствует одна определенная пропускная способностьклапана 13, что обеспечиваетсинхронность в работе мешалки и кла 25 пана, таким образом согласуются уп,равления работсй мешалки 15 и клапана 13, установленного на линииподачи .воздуха на аэрацию.Годовой экономический эффект от при"Зр.менения предложенной системы автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов при п 1 Фоиэводстве лизина по сравнению с прототипоможидается в размере 0,7-1,05 млн.руб.35. годформула изобретения1, Система автоматического управ-ления процессом культивирования аэробных микроорганизмов в Фермеитере,нключающая регулируемый привод скорости вращения мешалки, управляемюйклапан; установленный на линии пода.чи воздуха на аэрацию, датчики рНсреды и окислительно-восстановительного потенциала, программный блок,подключенный к входу блока анализа,выход которого соединен с формирователем управляющих сигналов, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с цельюувеличения выхода целевого продукта,она снабжена коммутатором, сумматором, широтно-импульсным модулятороми генератором синхроиипульсов, выходпоследнего подключен к входу блокаанализа и одному из входов коммутатора, другой вход которого соединенс датчиком окислителъно-восстанови тельного потенциала, а выход - ссумматором, причем вход последнегосвязан с датчиком рН среды, а выходс входом блока анализа, при этомвход связанного через тахогенератор 65 с приводом мваалки широтно-импульс1004998 ВНИИПИ Заказ 1896/61 Тираж 872 Подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ного модулятора подключен к входу формирователя управлякщих сигналов, соединенного с приводом мешалки, а выход широтно-импульсного модулятора связан с управляемым клапаном, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию.2. Система по п. 1, о т л и ч а ю. щ а я с я темчто она снабжена генератором деполяризационных импуль сов, вход которого связан с генератором синхроимпульсов, а выход - скоммутатором. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 483426, кл. С 12 Ю .3/00, 1973. 2. Авторское свидетельство СССР М 662579, кл . С 12 Й 1/00, 1977.