Система автоматического управления концентрацией продукта на выходе колоночного биореактора при синтезе аминокислот

(51 И 2 атическим биологиченоло- биося к биотех ю процессомаминокисл в технологи о-энзиматич микробиол стояннои. Извес имеет свою оптим туру, при которо мальная скорость старение биоката метному падению ности, вследств продукта на выхо от, и и полеским огичеовышение продука.чается в следуюСко вышая т рН вби рой и р каждого перимеОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРВ 1558453, кл, 6 05 О 27/00, 1988.(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРОДУКТАНА ВЫХОДЕ КОЛОНОЧНОГО БИОРЕАКТОРА ПРИ СИНТЕЗЕ АМИНОКИСЛОТ(57) Изобретение относится к биотехнологии, а именно к управлению процессом биокаталитического синтеза аминокислот, иможет быть использовано в технологии получения аминокислот химико-эн способам в химической и ми Изобретение относигии, а именно к управленикаталитического синтезможет быть использованоучения аминокислот химиспособом в химическойской промышленности,Цель изобретения - птивности биокатализаторИзобретение заклю Технология требует, чтобы из стадии бикаталитического синтеза аминокислот на оследующие стадии подавался раствор, в отором концентрация продукта была поской промышленности. С целью повышения продуктивности биокатализатора, система автоматического управления включает датчик рН на выходе биореактора, подключенный через рН-метр, фильтр низкой частоты и блок подсчета изменения скорости подачи субстрата к регулятору рН, управляющему исполнительным механизмом на линии подачи субстрата. Система также содержит расходомер на линии подачи субстрата, подключенный к регулятору, управляющему реле, которое включает контур регулирования температуры биореактора, а также датчиктемпературы, который подключен через вторичный прибор и блок вычисления теоретического рН значения к блоку сравнения, из которого сигнал поступает в регулятор, управляющий исполнительным механизмом, установленным на линии подачи горячей воды в контур термостатирования биореактора, 1 ил. тно, что биокатализатор Ос альную рабочую темпера- Д, й обеспечивается макси- а реакции синтеза, Однако лизатора приводит к заего активности и стабиль- с ие чего концентрация де биореактора уменьшаость реакции можно увеличить, помпературу, что ведет к изменению реакторе. Связь между температу- Н является прямолинейной и для биокатализатора определяется экстальным путем. Однако повышениетемпературы негативно действует на активность и стабильность биокатализатора - резко ускоряется процесс старения,С другой стороны, при синтезе аминокислот во время реакции изменяется рН реакционной среды из-за разности констант иониэации ионогенных групп субстрата и продукта, что позволяет найти зависимость между концентрацией образовавшегося продукта и изменением рН среды.Таким образом, определяется связь между температурой, рН на входе и выходе биореактора и концентрацией продукта на выходе биореактора.Алгоритм управления процессом составлен исходя из вышеупомянутых соображений,В начальном этапе управление концентрацией продукта на выходе биореактора вецется при оптимальной температуре путем измерения рН на выходе биореактора и соответственным продлением времени контактирования субстрата с биокатализатором, т.е. уменьшением скорости подачи субстрата в биореактор. Субстрат подается с постоянным рН,Концентрация продукта на выходе биореактора должна изменяться в узком диапазоне, поэтому можно написать р=а,+ай,где р - концентрация продукта; 1 - время контактирования субстрата с биокатализатором (время реакции); ао, а 1 - коэффициенты (определяется экспериментально),Аналогично(2) Н = Ьо+ Ь 1 р,где Н - рН на выходе биореактора;Ьо,Ь 1 - коэффициенты (определяетсяэкспериментально).Время реакции и линейную скоростьподачи субстрата в биореактор в каждыймомент времени можем описать Чо 1 о == Ма:= , =. ,Ч= КЧь 1,(4) где где Ч-линейная скорость подачи субстрата в биореактор;1 - длина биореактора,Коэффициент изменения скорости г 1 одачи субстрата можно определить, формулу (1) вставляя в (2) и взяв соотношение из формулы (3) С 1= -Ьо - аоЬ 1,(6)5где - момент измерения,Уменьшать скорость подачи субстратаиз-за технологических требований целесообразно до определенной величины, достигнув которую система переходит к второмуэтапу управления.В этом этапе стабилизируется подачасубстрата на достигнутом уровне, а температура изменяется так, чтобы измеренноерН достигло высчитанное теоретическоерНт, что в свою очередь соответствует стабилизации концентрации продукта на выход биореактора,На чертеже изображена структурнаясхема предлагаемой схемы.Система автоматического управленияконцентрацией продукта на выходе биореактора 1 содержит датчик 2 рН, подключенный через рН-метр 3 к фильтру 4 низкойчастоты (ФНЧ), который через реле 5 и блок6 подсчета изменения скорости подачи субстрата соединен с первым регулятором 7,управляющим исполнительным механизмом Я, установленным на линии подачи субстрата.Расходомер 9 соединен с вторым регулятором 10, который подключен к реле 5, ис задатчиком 11.Датчик 12 измерения температуры через вторичный прибор 13 и блок 14 подсчетатеоретического рН подключен к блоку 15сравнения, к которому подключено реле 5,Блок 15 сравнения подключен к третьемурегулятору 16, управляющему исполнительным механизмом 17, установленному на линии подачи горячей воды в контуртермостатирования биореактора,Блоки 6, 14 и 15 выполнены на микропроцессорах,45Перед запуском технологического процесса надо экспериментально установить или использовать литературные данные для определения прямолинейных коэффициентов для блока 6 (используется конечный линейный участок зависимости концентрации продукта на выходе биореактора от времени и изменение рН от времени) и блока 14 (зависимость рН от температуры), а также установить задатчик 11, определяющий, до какого уровня целесообразно уменьшать количество подаваемого субстрата. Субстрат в биореактор подается с постоянным рН.Система работает следующим образом,При проведении реакции синтеза аминокислот сигналы от рН-метра 3 через ФНЧ 4 и замкнутые контакты реле 5, подаются в блок 6 для подсчета коэффициента изменения скорости подачи субстрата. В соответствии с сигналом, полученным из блока 6 первый регулятор 7 формирует управляющий сигнал исполнительному механизму 8, который регулирует скорость подачи субстрата в биореактор, Вследствие этого рНэ поддерживается заданной величины и на выходе колоночного биореактора концентрация продукта стабилизируется,Когда скорость подачи субстрата, измеряемая расходомером 9, станет меньше заданной, третий регулятор 10 формирует сигнал реле 5, который переключает свой контакт и сигнал от рН-метра 3 подается в блок 15 сравнения, С этого момента включается контур управления процессом по температуре, а скорость подачи субстрата стабилизируется на достигнутом уровне.Сигнал от температурного датчика 12 через вторичный прибор 13 подается на блок 14 подсчета теоретического значения рН, из которого попадает в блок 15 сравнения. В блоке 15 сравнения сравнивается теоретическое значение рНт с измеренным рНэ Когда измеренное рН-метром 3 рНэ начинает уменьшаться, в блоке 15 сравнения получаем разницу между сигналами рНЭ и рНт, вследствие чего вырабатывается вторым регулятором 16 управляющий сигнал для исполнительного механизма 17, изменяющего температуру в рубашке биореактора 1, Повышая температуру повышается и активность биокаталиэатора, вследствие чего меняется концентрация продукта на выходе биореактора 1. Из-эа повышения температуры изменяется рНа аминогрупп субстрата и продукта, а вследствие этого - показания рН-метра 3 и, следовательно, рН Сигнал от датчика 12 температуры через вторичный прибор 13 подается в блок 14 подсчета теоретического значения рН, в котором подсчитывается новое рНт, учитывающее изменившуюся температуру.5 Таким образом, повышение температуры ведется до совпадения рНЭ и рРт, что позволяет добиться постоянной заданной концентрации на выходе биореактора,Процесс является инертным, потому по вышение температуры производится оченьмедленно.Испытание предлагаемой системы в лабораторных условиях показало, что продуктивность биокатализатора повысилась на 15 7. Формула изобретения Система автоматического управленияконцентрацией продукта на выходе коло ночного биореактора при синтезе амино кислот, включающая последовательносоединенные датчик рН, рН-метр, фильтр низкой частоты, реле, блок подсчета изменения скорости подачи субстрата в биореак тор, первый регулятор и исполнительныймеханизм, установленный на линии подачи субстрата, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения продуктивности биокатализатора, она содержит контур регулирова ния температуры вторичного прибора,блока подсчета теоретического значения рН, блока сравнения, второго регулятора и исполнительного механизма, установленного на линии подачи горячей воды, а также 35 последовательно соединенные задатчик,третий регулятор и расходомер, установленный на линии подачи субстрата, причем выход третьего регулятора соединен с реле, нормально разомкнутые контакты которого 40 подключены к блоку сравнения, и блок подсчета изменения скорости подачи субстрата, вход которого соединен через нормально замкнутые контакты реле с выходом фильтра низкой частоты, а выход - с 45 входом первого регулятора.1686412Составитель В. Новиков Редактор Н. Лазаренко Техред М.Моргентал Корректор М, Кучерявая Заказ 3597 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101