Способ автоматического управления процессом аэробного многостадийного выращивания микроорганизмов

СООЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК А 09 27/00; С 12 Я 3/О Кафаров,ова и К. В. Леследовательскийых веществ ьство СССР1974,МАТИЧЕСКОГО ОМ АЭРОБНОО ВЫРАЩИВАОВ, предусматасхода питательующего газа, отНИЯ МИ ривающий ной средь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(54) (57) СПОСОБ АВТОУПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССГО МНОГОСТАДИЙНОГКРООРГАНИЗМрегулирование р1 и расхода аэрир ц,1149230 личающийся тем, что, с целью увеличения продуктивности процесса, определяют скорость образования биомассы на каждой стадии, осуществляют регулирование соотношения расходов аэрирующего газа и питательной среды в зависимости от скорости образования биомассы на каждой стадии и распределение по стадиям общего потока питательной среды осуществляют по формуле9- - у - у - В,Я1 кгде 9;-поток питательной среды на каждую1-ую стадию;Я - общий поток среды;Н - число стадий выращивания;211 - скорость образования биомассы на1-й стадии.Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам автоматического управления процессом непрерывного многостадийного выращивания микроорганизмов, предпочтительно кормовых дрожжей.Известен способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, предусматривающий регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа с коррекцией по величине рассогласования текущего и предыдущего значений величин экономического коэффициента использования субстрата 1.Недостатком известного способа является то, что регулирование процесса проводят на основании медленно изменяющегося параметра процесса - экономического коэффициента, что не позволяет достаточно оперативно реагировать на изменения параметров процесса, а также то, что раздельное регулирование расходами питательного субстрата и воздуха по данному параметру не обеспечивает максимальной продуктивности процесса выращивания биомассы.Целью изобретения является увеличение продуктивности процесса.Указанная цель достигается тем, что при способе автоматического управления процессом аэробного многостадийного выращивания микроорганизмов, предусматривающем регулирование расхода питательной среды и расхода аэрирующего газа, определяют скорость образования биомассы на каждой стадии, осуществляют регулирование соотношения расходов аэрирующего газа и питательной среды в зависимости от скорости образования биомассы на каждой стадии и распределение по стадиям общего потока питательной среды осуществляют по формулец;:К;- а 11гдето;-поток питательной среды на каждую1-ю стадию;9 - общий поток среды;К - число стадий выращивания;Й - скорость образования биомассы нах1-й стадии,На чертеже приведена принципиальная схема реализации способа управления применительно к многосекционному колонному биореактору.Объект управления - многостадийный процесс аэробного выращивания клеток, осуществляемый в 1 М стадиях, куда поступают технологические потоки 1-Р-аэрирующий газ, питательная среда и отводятся потоки суспензии микроорганизмов и отработанного газа.Способ осуществляют следующим .образом..Непрерывно измеряют концентрации биомассы, субстрата и растворенного кислоро 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 да на каждой стадии процесса и по ним осуществляют расчет скорости образования биомассы на каждой стадии, например, в логическом блоке вычисления К";. Затем производят сравнение полученных значений для каждой стадии и выбор минимальных йя и максимальных К значений скорости роста. Одновременно измеряют расход аэрирующего газа и общего потока. Первона. чально соотношения укаэанных потоков выбирают преимущественно в диапазоне 5 - 30 кг газа/кг жидкости, а величину потока на каждую стадию определяют по соотношениюФ= -- :ЯЮ - 1(1) где 1 изменяется от 2 до Х.В последующем при изменении концентраций микроорганизмов, субстрата и растворенного кислорода и соответственно скоростей роста на каждой стадии определяют, стадии с Кщ и К и в блоке выработкийуправляющих сигналов, корректируют величину потока на 1-ю стадиюпо зависимостихц=К;(2) а соотношение расхода аэрирующего газа и общего потока среды регулируют по зависимостиЯа Кав =. Яюжй (3) где К- коэффициент, зависящий от выращиваемого штамма микроорганизмов и субстрата (в частности, при выращивании дрожжей на и-парафинах К=2,98).При этом отношение Яв/Я рекомендуется регулировать в диапазоне 5 - 30 кг/кг, поскольку величина отношения Яв/Я менее 5 не обеспечивает требуемой аэрации среды, а при более 30 затраты энергии неоправданно возрастают.Таким образом, используя предлагаемый способ, удается поддерживать продуктивность процесса на максимальном уровне.Предлагаемый способ может быть реализован при многостадийном выращивании микроорганизмов, например, в батарее последовательно соединенных аппаратов различной конструкции или в многосекционном колонном биореакторе.Колонный секционированный биореактор состоит из трех секций (стадий), на вход поступают технологические потоки 1 - 1 Ч- аэрирующий газ, поток, содержащий питательную среду и субстрат, и отводятся потоки суспензии микроорганизмов и отработанного газа, при этом циркуляционный по- токЧ, содержащий питательную среду, субстрат и суспензию микроорганизмов, распределяется по секциям колонны.Регулирование основных параметров культивирования (рН, температуры, давления), в аппарате осуществляется с помощью систем локального регулирования. Текущие значения концентрации биомассы в биореакторе 1 измеряют датчиками 21(1=1,3), субстрата - датчиками 31 (1= 1,3), растворенного кислорода - датчиками 41 (1=1,3), затем сигналы от датчиков 21 - 41 поступают в логический блок 5, где осушествляется расчет скорости образования биомассы К; в каждой секции аппарата и проверяются значения концентрации растворенного кислорода на критическое значение и концентрации субстрата на выходе из последней секции на допустимое значение. Полученные значения скорости образования биомассы направляют в логический блок 6, где значения скорости образования биомассы по секциям сравнивают друг с другом для выбора секций с минимальной и максимальной скоростями образования биомассы, а также запоминаются максимальная и минимальная скорости образования биомассы. Номера секций и значения скоростей образования в них направляют в блок 7 выработки управляющих сигналов, в последнем происходит расчет величин потока в каждую секцию Я 1 по формуле (2), соотношения расхода аэрирующего газа и общего циркуляционного потока по формуле (3) с учетом сигналов, полученных от логических блоков 5 и 6 и показателей датчика 8 расхода общего циркуляционного потока и датчика 9 расхода аэрируюшего газа. При .этом, если поступает сигнал с логического блока 5 об уменьшении концентрации растворенного кислорода ниже критической, то в блоке 7 вырабатывается управляющий сигнал об увеличении расхода аэрируюшего газа, а значение общего циркуляционного потока оставляют неизменным. Если поступает сигнал о превышении остаточной концентрации субстрата выше допустимого значения, то в блоке 7 управляющих сигналов вырабатывается сигнал об увеличении циркуляционного потока при неизменном расходе аэрирующего газа в соответствии с рассчитанным соотношением Я/Я. Блок 7 выработки управляющих сигналов направляет на регуляторы 101(1=2, 3) рассчитанные значения потока по секциям, на регулятор 11 - рассчитанное значение общего циркуляционного потока,на регулятор 12 - рассчитанное значение потока аэрируюшего газа. Сигналы с регуляторов 101 поступают на исполнительные механизмы 131, установленные на линии подачи потока по секциям, с регулятора 11- на исполнительный механизм 14 на линии общего потока, с регулятора 12 - на исполнительный механизм 15 на линии подачи аэрируюшего газа.Пример. В трехсекционном колонном био. реакторе осуществляют многостадийный процесс выращивания аэробных микроорга 20 25 30 35 40 51015 45 50 55 низмов - дрожжей рода Сапйда Ьа 1 е на углеводородном субстрате, н-парафине, Питательная среда содержит минеральные соли в концентрациях, г/л: КС 1 0,6; Мд 504 0,66;1 еЬО 7 НдО 0,1; МпЬОФ 5 НО 0,3; 2 п 04" к 7 НО 0,3; (ХН 4)р 0 (20%) 7,5 мл/л, Исходная концентрация парафина ЗО г/л. Среднее время пребывания микроорганизмов в биореакторе 4 ч, температура среды в аппарате 32 - 34 С, РН среды 4,0 - 4,2, Начальное соотношение Яв/Я принимается равным 10 кг/кг, а значения Я составляют Я=Я=0,5 Я по формуле (1), Датчиками 21, 31 и 41 по секциям колонного биореактора зафиксированы в ходе процесса следующие показания:21 - концентрация биомассы 1= 1 - 18,9 г/л;1=2 - 25,3 г/л; 1=3 - 26,8 г/л; 31 - концентрация субстрата 1=1 - 9,2 г/л; 1=2 - 3,6 г/л;1=3 - 0,5 г/л; 41 - концентрация растворенного кислорода 1=1 - 0,15 мг/л; 1=2 -3,6 мг/л; 1=3 - 4,2 мг/л.Соответствующие значения скорости образования биомассы по секциям К составляют, г/л: К"=7,1; 1 ф =1,9; й"=0;3.Учитывая, что в данный момент времени (поступление сигналов с датчиков 21, 31, 41) концентрация растворенного кислорода меньше критического значения (Сщзнг=0,2 мг/л), в блоке 7 вырабатывается сигнал увеличения расхода аэрируюшего газа воздействием на регулятор 14 таким образом, что отношение ( Ь/Я достигает 30, При этом концентрация растворенного кислорода в первой секции увеличивается до 1,5 мг/л. В логическом устройстве 6 путем сравнения значения К", определяют секции с минимальным значением К,р (секция 111) и максимальным значением К,щ (секция 1) на данный момент времени. В блоке 7 определяют распределение потока среды по секциям, используя формулу (2): Яэ=0,136 Я, Яу = 0,864 Я. Указанные значения поступают в виде управляющих сигналов на регулятор 101 и исполнительные механизмы 131. Таким образом, осуществляется автоматическое управление обшим расходом питательной среды, распределением потока по секциям стадиям процесса и регулирование соотношения расходов воздуха и среды в колонном биореакторе. Применение предложенного способа управления позволяет получить среднюю продуктивность процесса выращивания биомассы 5,4 кг/мз ч, что на 9% выше средней продуктивности в контрольном опыте.Таким образом, использование предлагаемого способа автоматического управления процессом позволяет увеличить продуктивность непрерывного многостадийного процесса и обеспечивает возможность непре1149230 Составитель Г. БогачеваТехред И. Верес Корректор Н. КорольТираж 863 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Редактор И. НиколайчукЗаказ 2430 рывного вычисления и определение оптимальных управляющих воздействий, регулирование соотношения потоков аэрирующего воздуха и питательной среды и распределение общего потока питательной среды по стадиям, что обеспечивает поддержание максимальной продуктивности автоматически.