Система автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов

(54) СИСТЕМА ЛЕНИЯ ЦИКЛИ РЫВНОГО ВЫР (57) Изобре лению биоте и может бытятиях микро РМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБР(56) Авторское свидетеУ 1062262, кл, С 12 Я ВТОМАТИЧЕСКОГО УПРА КИМ ПРОЦЕССОМ НЕПРЕ ВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМ ение относится к управнологическими процессам использовано на предприиологической промышленЯО 1392097 ности, использующих непрерывный технологический процесс микробиологического синтеза целевого продукта. Система содержит контуры регулированияподачи субстрата, питательных солей,уровня в ферментере, температуры и РНсреды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера. Кроме того,система содержит датчики 18 и 5, 2 1,2 и 22 кислотности культуральной среды и субстрата, расходов аммиачнойводы, подаваемого субстратаи отводимой среды соответственно, блок 25определения текущей скоростироста,интегратор 26 и блок 27 деления дляопределения средней скорости ростамикроорганизмов, также блоки 29, 35,34 и 30 сравнения, переключения управления, последовательной и парал139097 лельиой коррекции соответственно, генератор 39 частоты, задатчики 31 , и 4 О, 36 и 41 нижнего и верхнего уровня концентрации питательных ве" щестз в среде и температуры культивирования блоки 32, 37 проверки яа ограничения.и коммутаторы 33, 38 для осуществления циклических колебаяий концентрации питятел,ьных веществ н температуры культивирования. При,этом система в реальном масштабе времени ведет поиск максимальной скорости роста микроорганизмов путем управлеИзобретение относится к системамавтоматического управления процессомнепрерывного выращивания микроорганизмов и может найти применение вмикробиологической промышленности.Келью изобретения является повыше"ние выходя биомассыСущность изобретения заключаетсяв следуяяеяПри непрерывном выряшивании микОРоорганизмов циклический режим подачи питательных веществ обеспечивает1 %более эффективное ведение процесса,, повышает выход биомассы (экономический коэффициент) .. Циклические колебания температурыкультуральной среды действуют кяксинхроьизирующнй фактор процессаобеспечивают Ослег эффактивное ис"и:;.льзование питательных веществ посрявиению с стяр".оня".1 Н 4 ииусловиямнкультивировБРия а Из ЗЯ нестЯЦионарвость и продолжительности процессакультивирования невозмощяо зярянееустановить параметрь колебаний,оя"центряции субстрата и температурысреды, которус обеспечСаади бы максимальный выход бисч"Усы Поэтоь гелесообразно осуществлять поисктихпараметров по ходу процесса.Система н Реальном масштабе времени ведет поиск экстремума скоростироста градиентным методом путем управления нижнии и верхним уровнями,также псрисдои принудительных циклических колебаний концентрации субстрата и темнея 1 турь: среди, Градиен"ния параметрами циклических колебанийконцентрации питательных веществ итемпературы культивирования в Фермен"тере. Поиск экстремума скорости роста ведется градиентным методом. Система обеспечивает циклический режимподачи питательных веществ и синхрон-.ные колебания температуры культивирования, что позволяет повысить скорость роста микроорганизмов при томже, расходования питательных ве -ществ и экономичность. процессаил,ный метод поиска экстремума обеспечивает эФФективное движение к экстремуму скорости роста микроорганизмов.Скорость роста микроорганизмов 5 определяется по расходу амьщачяойводы, учитывая кислотяость подавае- .Ъмого субстрата: Р К Я +К РИВЧ с рН рЯ)ОгдеХ - скорость роста;Ц - Расход аммиачной воды,"Я - расход питательного субстрата;- расход отводимой культу:ральной среды;РБ,с - кислотность питательногосубстрата;КК- коэффициенты пропорциональности.ОНа чертеже изображена блок- схемапредложенной системы управления.Система содержит ферментерс линияии подачи питятельных солей аммя , акя, субстрата, воды, воздуха охлаж"дающей воды и линий отбора среды, атякше контуры регулирования подчи субстрата питательных солей, уровняв Фериентере, температуры и РН среды,растворенного кислорода и отсс,я сре"рф з рериРнтеряКсгнтур рег 1 пирования подачи субст,ятя включзеч датчик " расхода налинии подачи субстрата, регулятор 3 и исполнительный механизм 4 на линииз-:одачи субстрата, при этом Датчиком 5измеряют кислотность подаваемого субстрагяКонтур регулирования подачи питательных солей содержит датчик 6 расхода, регулятор 7 и исполнительньй"механизм 8 на линии подачи питательБных солей.Контур регулирования уровня в ферментере включает датчик 9 уровня среды в ферментере, регулятор 10 и исполнительный механизм 1 1 на линии 1 рподачи воды на разбавление,Контур регулирования температурыкультуральной среды содержит датчик12 температуры среды в ферментере,регулятор 13 и исполнительньй меха" 15низм 14 на линии подачи охлаждающейводы.Контур регулирования растворенного кислорода среды включает датчик 15 растворенного кислорода в фер рментере, регулятор 16 и исполнительный механизм 17 на линии подачи воз-духа,Контур регулирования рН включаетдатчик 18 рН среды в ферментере, регулятор 19 и исполнительньй механизм20 на .линии подачи аммиачной воды,при этом датчиком 21 измеряют расходаммиачной воды.Контур регулирования отбора среды Зрвключает датчик 22 расхода на линниотбора среды, регулятор 23 и исполни,тельный механизм 24 на линии отборасреды.Кроме того, система содержит блок25 определения текущей скорости роста микроорганизмов, входы которогосвязаны с датчиком 21 расхода аммиач"ной воды, с датчиками .18 и 5 кислотности рН среды и подаваемого субстра рта, с датчиками 2 и 22 расхода субстрата и отводимой среды, а выход - через интегратор 26 с блоком 27 деления, последовательно соединенныеблок 28 запоминания, блок 29 сравнения, блок 30 параллельной коррекции,задатчик 31 нижнего уровня, блок 32.проверки на ограничения и коммутатор33, последовательно соединенные блок34 переключения управления, блок 35последовательной коррекции, задатчик36 нижнего уровня, блок 37 проверкина ограничения и коммутатор 38, атакже генератор 39 частоты и задатчики 40 и 41 верхнего уровня При этомвыход блока 27 деления подключен кблоку 28 запоминания и блоку 29 сравнения, входы блока 34 переключенияуправления соединены с блоком 29 сравнения и блоком 35 последовательной коррекции, выход - с блоком 30 параллельной коррекции, выходы генератора 39 частоты соединены с интегратором 26 блоком 35 последовательной коррекции и коммутаторами 33 и ЗВ, а выходы блока 30 параллельной коррекции и блока 35 последовательной коррекции подключены к генератору 39 частоты и задатчикам 31, 40, Зб и 41 нижнего и верхнего уровней, причем выходы задатчиков 40 и 41 верхнего,. уровня соединены с блоками 32 и 37 проверки на ограничения концентрации субстрата и температуры среды.Система работает следующим об 1разом.Контуры регулирования подачи суб" страта, питательных солей и температуры культивирования в ферментере 1 обеспечивают циклические колебания соответствующих параметров, так как сигналы регуляторов 3, 7, 13 -имеют форму прямоугольных импульсов.Пределы колебаний задаются эадатчиками 3 1 и 40 нижнего и верхнего уровней концентрации питательного субстрата в среде, задатчнками 36 и 4 1 нижнего и верхнего уровней температуры культивирования, а период -, эадатчиком генератора 39 частоты.Заданные значения этих параметров корректируются управляющими сигналами блока 35 последовательной коррекции или блока 30 параллельной коррекции в зависимости от режима работы системы управления. С выходов задат" чиков нижнего и верхнего уровней сигналы подаются на блоки 32 н 37 проверки на ограничения, в случае невыполнения какого-то заданного ограни" чения соответствующий параметр сохраняет предыдущее значение, а последняя коррекция не учитывается, После проверки на заданные регламентные ограничения сигналы нижнего и верхнего уровней концентрации субстрата подаются на коммутатор 33, а сигналы нижнего н верхнего уровней температуры культивирования - на коммутатор 38. Работой коммутаторов управ" ляет генератор 39 частоты, посредством которого задается период цяслических колебаний. Он также проверяет период колебаний на заданные огра-ничения, Прямоугольные импульсы навыходе коммутатора 33 служат сигна" лом задания регулятору 3 подачи суб1 392097 5страта и регулятору 7 подачи пи 1 Я- ,тельных солей, а импульсы на выходекоммутатора 38 - сигна)1 ом заданиярегулятору 13 температуры регулирования среды в ферментере.Пер 11 од колебаний, значения нижне"- го и верхнего уровня концентрации субстрата и температуры культивирования корректиру 1 отсл, Осуществлял поиск максимальной скорости. роста ,микроорганизмов, при зяцанных ограничениях управляемыхпараметров. Скорость роста определяется с помощью косвенных измерений, 15Сигнал, пропорциональный текущей скорости роста микроорганизмов, фсрмируетсл в блоке 25 согласно уравкени 1 о (1) по сигналам От датчиков 8, 5, 31,2 и 22 кислот)1 отсти кУльтУРаль" 2 О чой среды и субстрата, расходов ам. миачной воды, подаваемого субстрата и отводимой среды. С вь 1 хода блока 25 сигнал поступает ка интегратор 26 в котором происходит суммирование 25 моментных значений скорости роста микроорганизмов эя определенный период Времени Врмя иктегрировани 51 зависит от инерционности процесса 1 время интегрирован 1 ья - это время 30 переходного процесса, вызванного ИЗМЕНЕНИЕМ КЯКОГт)-Л 11 бо управпяЕМОГО параметра, по которым ведется поиск максимальной скооости роста),РЯбОтОЙ интегх)атООЯ 26 уьрЯвллет,. генератор 39 частоты который задае)период интегрирования и после окончания этого периода передает информацию интегральной суммы ня блок 27деления и Осуществляет сброс интегра А)тора 26. 8 блоке 27 деления происхоДИТ ДЕ 31 РНИЕ ВХОДНОГО С 11 ГН Я)151 И 1.ТЕГ,)ЗЛЬНО 1 СУММЬ 1 НЯ Д 1 Н" Е)1 ЬНОСТЬ ПЕ 1)ИО"дя интегрирования,Сигнал блока 27 деления, пропорционяльный 1 средней скорости роста,поступяРт ча бт"Ок 23 эопомияник "1блок 29 сравнения) где Он сравнивает."СЯ С РЕЭУЛ 1 ТЯТОМ ПРЕДЫДУЩЕГО ИНТЕГРКровяния, Значение средней скоростнроста предьдттщего пернл 11 я интегрирования хранится н блоке 28 запоминания.Д 1 Я ОСУ 1 тЕСТВЛЕННЛ П ОИСКЯ СКО 1)ОСТИРОСта ГРЯДИЕНТНЬМ МЕТОДОМ СЧЯЧРЛЯнеобходимо Опт)е 11 ел 51 ть:Остявля)ощиеГРаДИЕНта СРЕДНЕ 1)1 Ст:ОР:)СТИ РОСГЯ МИКроорганиэмов к нзмР 11 е 1 И 1 о Отдельныхкоординат унрягое)н 51 - нижнего и верхнего уровней концентрации питательного субстрата, нижнего и верхнего уровней температуры культивирования и периода колебаний. Дпя этогоблок 34 переключения управления отключает блок 30 параллельной коррекции и включает блок 35 последовательной коррекции, который Формирует сигнал приращения последовательно дпякаждой координаты управления, Последовательно Осуществляетсл изменен 1 ненижнего и верхнего уровней концентрации субстрата, нижнего и верхнегоуровней температуры культивирования,периода колебаний, в блоке 29 сравнения среднее значение скорости ростасравнивается с его значением до изменения соответствующего параметра,а результат сравнения передаетсл наблок 30 параллельной коррекции, гдеопределяются составляющие градиентасредней скорости роСта для каждогопараметра управления. 11 осле заверп 1 ения Очередного периода тестщ)овакилс генератора 39 частоты на блок 35последсвательной коррекции подаетсясигнал для переключения коррекциина следующий параметр. Таким образом, за пять периодов тестирования процесс переводится на новое состояние, но это необходимо длл определения направления градиента средней скорости роста. После заверlщения режима тестирования блок 35 по" следовятельной коррекции формирует управляющий сигнал блоку 34 переключения управления, которыи Отключает блок 35 послецовательной коррекции и передает управление блоку ЗО паралдельной коррекции. Последний одновре МРННО 1)ОРМИРУРТ КОРРЕКТИРУ 1 О)ЦИЕ ВОЗ действия дл 51 всех параметров управленияя с) гласно сдедующему Выря жр ни 1 о ФБ,=Ейск 1.- 1,2,3,4,5) (2) Гцв 11 Ь: рОт"тирущщЕЕ тоэдЕЦС тВИРдля:1"г О псц) яметр а,-111, - составляющая градиента -ред-НЕЙ КСОСТИ т О:та К ИЭМ 11 Е 1 Ю , О П с, Р ЯМЕттт Я т П ., ВттЛЕНИ)1Е - и.:.;ряметр настройкио; которого зависит быстродействиеи стабильНОсть сстемы угряяленилтт 1 ЯРЯМЕТРЫ УПРЯВЛЕН: 1 лт:т)гкктнй УтаовттЬ КО 1 тЦЕНТРЯЦИИсубстрата. Заказ 1868/30 Тираж 520 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж"35, Раушская наб д, 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г, ужгород, Ут. Проектная, 4 2 - верхний уровень концентрации субстрата;3 - нижний уровень температурыкультивирования;4 - верхний уровень температурыкультивирования;5 " период колебаний,Параллельная коррекция параметров циклических колебаний согласно градиенту средней скорости роста обеспечивает аффективное движение к экст, ремуму скорости роста микроорганизмов. Через каждый шаг параллельной кор" рекции в блоке 29 сравнения сравнивается значение средней скорости роста эа последний период интегрирования с предыдущим. Если скорость роста увеличивается, направление градиента остается прежним, В противном 20 случае блок 34 переключения управления передает управление блоку 35 последовательной коррекции при этом блок 30 параллельной коррекции отключается) и система переходит на 25 режим тестйрования для определения .нового направления .градиента среднейскорости роста микроорганизмов, .после чего продолжается поиск экстремума. Предлагаемая система позволяет ЗО повысить скорость роста микроорганизмов на 2,7% по сравнению с известной при одинаковом расходованиипитательных веществ и вести биотехнологический процесс таким образом, ,чтобы обеспечить повышение произ" 1 водительности микробиологического синтеза и эффективность использования питательных веществ.Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 46Система автоматического управления циклическим процессом непрерывного выращивания микроорганизмов, содержащая датчики расхода,аммиачной воды и кислотности питательного субстрата, блок определения текущей скорости роста микроорганизмов, интегратор, блок деления, контуры регулирования подачи субстрата, питательных солей, температуры и рН среды, уровня в ферментере, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения выхода биомассы, она снабжена последовательно соединенными блоками запоминания, сравнения, параллельной коррекции, эадатчиком нижнего уровня, блоком проверки на ограничения концентраций субстрата и коммутатором, последовательно соединенньви блоками переклю" чения управления, последовательной коррекции, задатчиком нижнего уровня, блоком проверки на ограничения тем", пературы культивирования н коммутатором, а также генератором частоты и двумя эадатчиками верхнего уровня, при этом выход блока деления подключен к блокам запоминания и сравнения, входы блока переключения управленияф соединены с блоками сравнения и последовательной коррекции, .выход - с блоком параллельной коррекции, вы." ходы генератора частоты соединены с интегратором, блоком последовательной коррекции и коммутаторами, а выходы блоков параллельной н последовательной коррекции подключены к генератору частоты и задатчику нижнего и, верхнего уровней, причем выходы за-; датчиков верхнего уровня соединены с блоками проверки наограннчеФния.