Способ автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 964002(23) Приоритет -Государствен иый комитет СССР по делам изобретеиий и открытий(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯМИКРООРГАНИЗМОВ Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно 1 к способам оптимизации процессов непрерывного культивирования микроорганизмов, например кормовых дрожжей.Известен способ автоматического управления процессом непрерывного ,культивирования микроорганизмов 11, осуществляеыый в системе, в которой оптимизацию процесса непрерывного выращивания микроорганизмов проводят путем изменения расхода субстрата в зависимости от скорости роста микроорганизмов в ферментере. Однако способ не дает возможности поискового слежения за оптимальным состоянием процесса при действии внешних возмущающих воздействий, например при изменении концентрации подаваемого питательного субстрата в Ферментер, что снижает точность управления,. а следовательно, и интен:сивность процесса выращивания дрожжей. Способ также не оценивает экономического коэффициента и количества неутилизированного субстрата, что не позволяет эффективно использовать питательный субстрат. Известен также способ автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, преимущественно кормовых дрожжей, предусматривающий. определениеэкономического коэффициента исполь.зования субстрата с последующимрегулированием концентрации подавае.мого питательного субстрата, расходавоздуха и раствора минеральных солей 23.При этом величину экономическогокоэффициента (отношение количестваГвыращенной биомассы к количеству 15 утилизированного субстрата) определяют через определенные промежуткивремени, сравнивают величину экономического коэффициента использования субстрата предшествующего определения с величиной экономическогокоэффициента последующего определения и в зависимости от результатасравнения корректируют концентрациюпитательного субстрата и расходы 25 минеральных солей и воздуха.Однако функционал управления такого способа не оценивает скоростироста микроорганизмов, а это снижает интенсивность процесса. Определе-.30 ние движения к оптимуму по момент 9 б 4002ным, а не среднеинтегральным значениям целевой функции, которая при этом не учитывает количества неутилизированного субстрата, снижает эффективность управления.Целью изобретения является повы шение производительности.Для этого при осуществлении способа автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, преимущественно кормо 10 вых дрожжей, предусматривающего определение экономического коэффициента использования субстрата с последующим регулированием концентрации подаваемого питательного субстрата, расхода воздуха и раствора минеральных солей, устанавливают величины градиентов среднеинтегральных значений экономйческого коэффициента использования субстрата, скорос ти роста микроорганизмов и количества неутилизированного субстрата к изменению концентрации подаваемого питательного субстрата, расхода воздуха и раствора минеральных солей, полученные установленные значения с учетом весовых коэффициентов суммируют, а коррекцию концентрации подаваемого питательного субстрата, расхода воздуха и раствора минеральных солей осуществляют в зависимости ог полученного суммарного значения установленных величин.На чертеже приведена принципиальная схема системы, которая служит для осуществления способа.35П р и м е р . Для вычисления градиента среднеинтегрального значения скорости роста микроорганизмов определяют скорость роста микроорганизмов. Известно, что в процессе 40 жизнедеятельности микроорганизмы увеличивают кислотность среды, для компенсации которой подают нейтрализующий раствор. При этом скорость изменения кислотности характеризует 45 скорость роста микроорганизмов, поэтому расход аммиачной воды также зависит от последней и соответствует ей.Кроме того, на кислотность среди влияет поток субстрата, кислотность которого может отличаться от кислот- ности среды. С учетом указанных Факторов скорость роста микроорганизмов в Ферментере определяют по формуле 55 РН - кислотность питательногосубстрата;К,1.К 2 - коэффициенты.Следовательно, для определения скорости роста микроорганизмов согласно. формуле 1 датчиками 1 и 2 измеряют расход нейтрализующего раствора и скорость протока через фер-ментер, датчиками 3 и 4-кислотности культуральной среды и питательного субстрата. Измеренные величины поступают в блок 5 определения градиента среднеинтегрального значения скорости роста микроорганизмов к изменению концентрации питательного субстрата и расходов раствора минеральных солей и воздуха.Градиент среднеинтегрального значения неутилизированного субстрата к изменению управляемых величин определяют следующим образом.Блок б определения градиента соединяют с датчиком 2 и датчиком 7 концентрации РВ в культуральной жидкости,Градиент среднеинтегрального зна-. чения экономического коэффициента определяют следующим образом.На блок 8 определения градиента среднеинтегрального значения экономического коэффициента к изменению управляемых переменных подают сигналы от датчиков 7, 9 и 10 концентрации РВ в культуральной жидкости, концентрации РВ в подаваемом питательном субстрате и концентрации микроорганизмов вкульту- ральной жидкости соответственно.Затем суммируют среднеинтегральные величины градиентов, для чего сигналы с блоков 5, б и 8 подают в блок 11 управления, где происходит суммирование градиентов и определение величины управляющего воздействия для коррекции концентрации подаваемого питательного субстрата и расходов минеральных солей и воздуха со следующим рекурентным уравнениемО(п) = О (и -1)+КМ Ч(п)+Ыдт (п.1) -с(.р 96(п)1 (2) где и - номер поискового шага;;ИйУ;а 6- градиенты среднеинтегральных значений скорости роста микроорганизмов, экономического коэффициента использования субстрата и количества неутилизированного субстрата к изменению концентрации питательного субстрата и расходов минеральных солей и воздухамис(.,а(2 - весовые .коэффициенты, определяемые по экономическим расчетам и зависящие от производственных условий, например запаса питательногосубстрата;К - параметр настройки, от которого зависят быстродействие и стабильность системы управления.Периодические преднамеренные изменения концентрации питательногосубстрата и расходов минеральныхсолей и воздуха для определенияградиентов осуществляют блоком 11в соответствии с заложенной программой. Сигналы с этого блока о среднеинтегральных величинах измененияконцентрации подаваемого субстратаи расходов минеральных солей и воздуха поступают в блоки 5,6 и 8.Коррекцию подаваемого питательного субстрата и расходов минеральныхсолей и воздуха проводят следующимобразом.управляющие сигналы от блока 11поступают на регулирующие блоки 12,13 и 14 концентрации питательногосубстрата, расхода минеральных солей и расхода воздуха соответственноНеобходимое для культивирования количество раствора минеральных солейи аэрирующего воздуха, соответствующее перерабатываемым РВ находятиз уравнения материального баланса.Требуемое изменение концентрацииподаваемого субстрата достигают изменением соотношения между гидролиь затом и водой. На выходах блока 12управляющие сигналы подают на исполнительные механизлы 15 и 16, которые установлены на линиях подачигидролизата и воды. Сигналы с блоков 13 и 14 поступают на исполнительные механизмы 17 и 18 подачиминеральных солей и воздуха соответственно. На линиях материальныхпоступлений в ферментер датчики 19,20, 21 и 22 расхода позволяют контролировать отработку заданных командПри этом сигнал обратной связи сдатчика 7 поступает на блок 12.Способ позволяет оптимизироватьпроцесс путем поддержания оптимальных среднеинтегральных значений скорости роста микроорганизмов, количества неутилизированного субстратаи экономического коэффициента использования субстрата, При этом обеспечиваются повыаение производитель=- ности ферментера по выходу биомассыв среднем на 3-5 Ъ и снижение расходапитательных веществ на 2-3.Предлагаемый способ может бытьиспользован на предприятиях микробиологической промышленности прикультивировании микробных белковыхпрепаратов, аминокислот, жиров, кор-:мовых дрожжей. Способ может также 1 О найти применение на тех предприятиях,где на отходах основного производства могут выращиваться кормовые дрожжи, например на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности.15формула изобретенияСпособ автоматического управления 2 О процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, преимущественно кормовых дрожжей, предусматривающий определение экономического коэффициента использования субстрата 25 с последующим регулированием концентрации подаваемого питательного субстрата, расхода воздуха и раствораминеральных солей, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повы- ЗО шения производительности, устанавливают величины градиентов среднеинтегральных значений экономическогокоэффициента использования субстрата,скорости роста микроорганизмов и количества неутилизированного субстрата к изменению концентрации подаваемого питательногО субстрата, расхода воздуха и раствора минеральныхсолей, полученные установленныезначения с учетом весовых коэффи циентов суммируют, а коррекцию концентрации подаваемого питательногосубстрата, расхода воздуха и раствора минеральных солей осуществляютв зависилюсти от полученного суммар ного значения установленных величин.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 5 О Р 522228, кл. С 12 ч 3/00, 1976. 2. Авторское свидетельство СССР 9 507625, кл. С 12 0 3/00, 1976.964002 Составитель Н. Арцы Техред Ж,Кастелевич ева Редактор 3. Бородки Корректо ре Подписное лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна