Система управления процессом культивирования микроорганизмов

(19) (11) 5 (51) (3 05 Р 7/00 ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ я ,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковыхвеществ(54) (57) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВв ферментере, включающая пульт управления, блок датчиков контролируемыхпараметров, связанный с первым входомпульта управления, устройство вводаданных химического анализа, связанное с вторым входом пульта управления, блок начальных уставок управляемых параметров, блок исполнительных механизмов и блок суммирования,к одному входу которого подключенпульт управления, второй вход соединен с блоком начальных уставок управляемых параметров, а выход - с блоком исполнительных механизмов, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью оптимизации производительности процесса и качества получаемого продукта, система дополнительно снабжена блоком сканирующих микроскопов, вычислителем морфологических признаков, блоком памяти, блоком формирования сигналов коррекции, при этом к входам блока памяти подключен блок датчиков контролируемых параметров, устройство ввода данных химического анализа, пульт управления, вычислитель морфологических признаков, один из входов которого соединен с первым выходом блока памяти, второй вход через Я .блок сканирующих микроскопов связан ферментером,а второй выход - с пультом управления, второй выход блока па мяти иойааеиииея к блоку формирования сигналов коррекции, входы которого соединены с блоком датчиков контролируемых параметров, вычислителем морфологических признаков, уст; ройством ввода данных химического анализа, а выход блока формирования сигналов коррекции посредством ключа управления соединен с пультом управления и блоком суммирования,Изобретение относится к микробиологической промышленности и можетнайти применение на заводах белкововитаминных концентратов, ферментов,антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов,Известна система контроля и регу-лирования основных параметров технологического процесса культивированиябелково-витаминного концентрата науглеводородоокисляющих дрожжах, основанная на системе стабилизации параметров на заданном уровне.Известная система состоит из ферментера, блока датчиков контролиру- .15емых параметров процесса ферментации,блока сумматоров, блока исполнительных механизмов, пульта управления,блока начальных уставок контролируемых Параметров, устройства ввода 70данных химического и микробиологического анализов. Процесс ферментации корректируется с пульта управления по данным блока датчиков контролируемых. параметров, а также по микробиологическим и химическим данным,поступающим на пульт управления через каждые 2 ч 1) .Однако известная система контроляи регулирования не обеспечивает опти-ф 0мального ведения процесса и такогорегулирования основных управляемыхпараметров, которое имеет максимально возможный выход биомассы при минимальном потреблении сырья.В известной системе отклоненияпроцесса ферментации от оптимального режима вызывают три основныепричины:1) отсутствие непрерывной количественной оценки микробиологических 40данных;2) неполное морфологическое визу-.. альное описание дрожжевых клеток;3) субъективное решение инженера. технолога. 45В результате процесс ферментацииотклоняется от оптимального, поэтому количество выдаваемой биомассыуменьшается и качество ее снижается.Целью изобретения является оптими зация производительности процесса икачества продукта.Для этого предлагаемая системадополнительно снабжена блоком сканирующих микроскопов, вычислителемморфологических признаков, блоком памяти, блоком формирования сигналовкоррекции, при этом секции ферментера соединены с блоком сканирующихмикроскопов, на выходе которых датчики оптической плотности соединеныс первым входом вычислителя отличительных морфологических признаковкультуры микроорганизмов, второйвход вычислителя соединен с выходомблока памяти отличительных (эталон ных) признаков, по которым имеются удовлетворительные решеиия технолога на изменение управляемых параметров, выход вычислителя соединен с первым входом блока памяти и с первым входом блока формирования сигналов коррекции, второй вход которого соединен с выходом устройства ввода данных химического анализа культуры микроорганизмов, выход устройства ввода данных соединен с вторым. входом блока памяти, третий вход блока формирования соединен с выходом блока памяти, четвертый вход блока формирования соединен с выходом блока датчиков, который соединен с третьим входом блока памяти, а выход блока формирования соединен через ключ с первым входом пульта управления, второй вход которого соединен с выходом вычислителя, а третий вход соединен с выходом блока датчиков, четвертый вход пульта управления соединен с выходом устройства ввода данных химического анализа, выход пульта управления соединен с четвертым входом блока памяти выход блокаформирования соединен через ключ, а выход пульта управления соединен непосредственно с первым входом блока сумматоров, вторые входы которых соединены с блоком начальных уставок управляемых параметров, а третьи входы блока сумматоров соединены с выходом блока датчиков, входы которых соединены с )ферментером и с различными участкамй технологической линии процесса ферментации, выход блока сумматоров соединен с блоком исполнительных механизмов регулирования управляемых параметров процесса ферментацииНа чертеже изображена блок-схема предлагаемой системы.Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметровпроцесса ферментации, блока 3 суммирования, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок уп-равляемых параметров, устройства 7 ввода данных химического анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков процесса ферментации и удовлетворительных решений технолога для них на изменение управляемых параметров, блока 11 формирования сигналов коррекции управляемых параметров, ключа 12.Секции ферментера соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которых датчики оптической плотности соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а10 блока 2, вычислителя 9 и устройства ческого анализа. Выход блока 10 сое динен с входом блока 11 формирования сигналов коррекции, на вход которого поступают данные с блока 2, устройства 7 и вычислителя 9. Выход блока 11 формирования соединен через ключ 20 12 с входом пульта 5 управления и блоком 3 сумматоров. Выход пульта 5 управления соединен с входом блока 3 сумматоров и с входом блока 10 памяти. Выход блока 6 начальных уставок управляемых параметров соединен с входом блока 3 сумматоров, выход которого соединен с входом блока 4 исполнительных механизмов, изменяющих подачу компонентов в ферментер 1.Управление процессом Ферментации связано не только с текущими значениями контролируемых физико-химических параметров, но и с морфологофизиологическими параметрами выращиваемых микроорганизмов. Однако зависимость между измеренными морфологическими и физико-химическими па,раметрами настолько сложна и мало изучена, что не представляется воз можным записать функцию управления Исполнительными механизмамиПоэтому в рассматриваемой системе для управления процессом ферментации предлагается использовать положительный опыт, накопленный заранее в режиме обучения в течение некоторого времени (. Положительными будем считать те решения на изменение управ- . ляемых параметров, которые привели к 50 улучшению принятого показателя количества и качества готового продукта. 55 60 второй вход вычислителя 9 соединенс выходом блока 10 памяти. В блоке10 записаны удовлетворительные решения на изменение управляемых параметрав, а также отличительные морфологические признаки культуры микроорганизмов, на основании которых ранеебыли приняты удовлетворительные решения, улучшившие экономические показатели процесса ферментации (количества и качества продукта). Вблок 10 памяти поступают также данные с блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментациии с устройства 7 ввода данных химиСистема управления процессом культивирования микроорганизмов работает следующим образом.Работа системы начинается, с режима обучения. Для этого ключ 12 ста" вят в нейтральное положение (.см.чер- теж). На пульт 5 управления и в блок 10 памяти поступают данные с блока 2 датчиков контролирУемых Физико-химических параМетров, с вычислителя 9 отличительных морфологическихпризнаков культуры микроорганизмов и.Химические данные с устройства 7.Поэтим данным е пульта 5 управления принкмают решение изменить в определеннойпоследовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6.Значения величины и знака изменений подачи в ферментер компонентов, регулирующих эти параметры,поступают с пульта 5 управления в блок 10 памяти,где они записываютсяна одну страницу рядом с данными 7, для которых было принято решениена изменение параметров. Если решение оказалось положительным, то эта страница с данными блока 2,вычислителя 9 и устройства 7 и соответствующим решением на изменение величины и ,знака компонент остается в блоке 10 памяти, если решение оказалось отрицательным (выход биомассы уменьшился, качество ее ухудшилось), то страница стирается из памяти. На этой же странице записывается во сколько раз увеличился экономический показатель.С заданным дискретом по времени описанный цикл повторяется, и из набранных страниц для данного типа сырья, например парафина, в блоке памяти составляется книга. Следует отметить, что нулевые значения величины на изменение компонент и получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти.При обучении нет необходимости на заводе специально задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обрабатывать реально текущие процессы. После окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели, месяцы), производится математическая .обработка полученных результатов (выбор метрики, весовых коэффициентов и т.д.), а затем ключ 12 ставится в положение 1 и система работает в режиме, советчиками (полуавтомата) следующим образом. Текущие данные блока 2, вычислителя 9 и устройства 7 (т.е, отличительные признаки процесса) поступают в блок 11 Формирования сигналов коррекции, где они сравниваются по одному из алгоритмов распознавания образов с данными, записанными на страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями, блок 11 выбирает из блока 10 памяти данные той страницы книги для заданного типа сырья, которые ближе всего к данным текущего процесса, и с .этой страницы берется записанное ранее положительное решение на изменение уставак блока 6 управляемых параметровВ том случае, если в режиме советчика система работает удовлетворительно, то ключ 12 ставится вб 35736 2) статистические характеристикикультуры микроорганизмов, рассчитан- ные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа (авто- и взаимокорреляционные функ ции, функции распределения, моменты,спектральная плотность и д 1 У,);3) данные химического анализас устройства 7.Описанная система управления про цессом Ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного (желаемого) оптимального в указанном выше смысле процесса. положение 11, т.е. система переводится в автоматический режим работы, Причем удовлетворительной считается такая работа системы, когда при выполнении ее команд (советов) экономический показатель не ниже того, который записан на странице памяти, а если он оказался выше, то прежняя страница стирается и для дан ного показателя записываются новые данные и решения по ним.В качестве отличительных эталонных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются 15 следующие:1) показания датчиков контролируемых параметров по всей технологической линии процесса ферментации;2) морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов, включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из необходимых точек технологической линии процесса ферментации.Морфологические параметры включают в себя:1) геометрические размеры, Форму, число частиц различной Формы и вклю-, ченийи т.д., причем в качестве признаков принимаются статистические харак теристики этих параметров (закон распределения, моменты, авто- и взаимокорреляционные Функции и т.д.; взаимокорреляционная Функция рассчитывается между эталонными признаками и признаками текущего процесса); Эфеективйость предлагаемой системы очевидна, так как она обеспечивает выдачу всех количественныхотличительных признаков процесса 20 ферментации; контролируемых параметров непрерывно, полное описание морфологических признаков по предварительным расчетам через 15-20 мин,данные химического анализа через 2 ч.25 Учитывая накопленный в режиме обучения опыт управления процессомферментации, система уменьшает колебания процесса управления за счеттого, что допущенные ранее ошибкине повторяются, т.е. система стабилизирует процесс по количеству икачеству выпускаемого продукта. Знаяколебания количества выпускаемогопродукта (без использования предлагаемой системы), можно приближеннопо мажоранте этой кривой оценитьэффективность предлагаемой системыпо количеству выпускаемого продукта. каз б ВНИИПИ Тираж 874 Подписно илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектна