Система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере

СОЮЗ СОВЕТСКИ)СОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 09) 11) 5 0 27/00 е напра тельнос ином сн сследоватеза белкопитания.жена блок Шихер ш, А. Г, Ко Велик Ю, В злов анН.Д ова етельство СССР 0 27/00, 1985 РАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ МИКРООРГАНИЗМОВ В ЕМАОВАН(54) СИС КУЛЬТИВИ ФЕРМЕНТЕ (57) Изо биологич к микро- и и може е относит ромышленн ретенской ОСУДАРСТБЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГНКТ СССР ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ СВИ(71) Всесоюзный научнотельский институт биос вых веществ(56) Авторское свид1) 1359773, кл. С 05 ЭОБРЕТЕНИЯ ЕЛЬСТ 8 У ити применение при производствелково-витаминных концентратов фернтов, антибиотиков и т,д, Изобрете лено на повышение произвои ферментера при одноврежении расхода компонентов тема дополнительно сн 21 пороговых значенш стоени вакуолизации, последовательно соединенными блоком 16 определенияпроцентного содержания активных клеток и блоком 17 умножения, последовательно подключенными блоком 18 определения степени вакуолизации клеток,блоком 19 сравнения и блоком 20 коррекции по вакуолизации, При работесистемы контроль за степенью вакуолизации клеток позволяет формироватьдополнительный корректирующий сигнал,обеспечивающий изменение подачи компонентов питания с целью оптимизации,3 1515эабрстение относится к микробиала Гич ее к ай прамьиленнас ти и мажетнайти применение на заводах белковопитамииньх концентратов, Ферментов,антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов,Цель изобретения - увеличение производительности ферментера,11 а чертеже изображена структурнаясхема предлагаемой системы управленияпроцессом культивирования микроорга-,низмов.Система состоит иэ ферментера 1,блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3суммирования, блока 4 исполнительныхмеханизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок управляемых 20параметров, устройства 7 ввода данньх химического анализа, блока 8сканирующих микроскопов, вычислителя 9 отличительных морфологическихи статистических признаков культуры 25микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков прОцесса ферментации и удовлетворительных решенийтехнолога для них на изменение управляемых параметров, блока 11 формирования сигналов коррекции уи 1 а:и 1 емых параметров, ключа 12 уираиспил,блока 13 идентифик, ции параметиа .адели, блока 14 оптимизации, с, .а,15, блока 16 определения иран:.,и,содержания активных кл"так, бло 1,т .умножения, блока 18 определения степени вакуолизации клеток, блока 19сравнения, блока 20 коррекции ио вакуолизации и блока 21 пороговых значений степени вакуолизации,Секции ферментера 1 соединены сблоком 8 сканирующих микроскопов,на выходе которых датчики оптической плотности (не показаны) соеди 45иены с первым входом вычислителя 9морфалогических признаков культурымикроорганизмов, а второй вход вычислителя 9 соединен с выходом блока10 памятиВ блоке 10 памяти заииса 50ны удовлетворительные решения на изменение управляемых параметров, атакже отличительные морФологическиеи статистические признаки культурымикроорганизмов, иа аснавашш которых55ранее были приняты удовлетворительные решения, улучшиишие экономическиепоказатели троиесса ферментации (количества и качества продукта), В блок 50 4О памяти поступают также данные сблоки 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации и с блока 7 ввода данных химического анализа. Выход бл ка 10 соединен с входомблока 1 Формирования сигналов коррек ции, на вход которого поступаютданные с блока 2, устройства 7 и вычислителя 9. Выход блока 11 формирования сигналов коррекции соединенчерез сумматор 15, ключ 12 пульта5 управления с блоком 3 суммирования, Один из входов блока 13 идентификации связан с блоком 2 датчиковконтролируемых параметров, другой -с выходом вычислителя 9 марфалогических признаков, трети й - с устройством 7 ввода данных химического ана -пиза, а выход блока 13 идентификациипараметров модели связан с входомблока 14 оптимизации, выход которогссоединен с входам сум:1 атара 15, другой вход сумматора 15 соединен с выходом блока 11 формирования сигналовкоррекции, а выход сумматора 15 посредством ключа 1 управления соединен с пультом 5 управления и блоком3 суммирования. Злос 16 определенияироиеитиого содержания активных кле; эк соединен с выходом вычислителяотличительных марфалагических и-т,сических признаков культурымак ааргаиизмов, а выход блока 16о р: деления процентного содержания:к гивных клеток связан с входом блока 7 умножения, другой вход которога подключен к выходу устройства 7ввода данных химического анализа,второй же выход блока 17 умножениясвязан с входом блока 14 оптимизации,К выходу вычислителя 9 отличительных марфологических и статистическихпризнаков культуры, микроорганизмовподсоединены последовательно соединенные блок 18 определения степенивакуализации клеток, блок 19 сравнения и блок 20 коррекции па вакуолизацни, который подсоединен к входусумматора 15, ( блоку 19 сравненияподключен блок 21 пороговых значенийстепени вакуалиэации,Выход пульта 5 управления соединен с входом блока 3 суммированияи с входом блока 10 памяти, Выходблока 6 начальных уставок управляемых параметров соединен с входомблока 3 суммирования, выход которогосоединен с входом блока 4 испални 151550тельных механизмов, изменяющих подачу компонентов в ферментер 1.Система упранления работает следующим образом,Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12 устанавливается в нейтральное положение,На пульт 5 управления и в блок 10 памяти поступают данные с блока 2 датчиков контролируемых физико-химических параметров, с вычислителя 9 отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7, Поэтим данным с пульта 5 управленияпринимают решение изменить в определенной последовательности некоторыедиапазоны управляемых контролируемыхпараметров, задаваемых блоком 6,Значения величины и знака изменения подачи в ферментер 1 компонентов,регулирующих эти параметры, поступаютс пульта 5 управления в блок О памяти, где они записываются на однустраницу рядом с данными блока 2,устройства 7 и вычислителя 9, для которых принято решение на изменениепараметров. Если решение положительно, то эта страница с данными блока2, устройства 7 и вычислителя 9 исоответстнующим решением на изменение величины и знака компонента оста 1 О 15 20 25 30 ется в блоке 10 памяти. Если решение отрицательно в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качест 35 получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти. 50 При обучении нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обрабатывать реально текущие процессы, После обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели, месяцы) производится математическая обработка полученных результатоввыбор метрики, весовых коэффициентов и т.д.),ва, то страница стирается из памяти, На этой же странице записывается, во сколько раз увеличивается экономический показатель. 40С заданным дискретом по времени описанный цикл повторяется и из набранных страниц для данного типа сырья, например парафина, в блоке 10 памяти составляется книга, Нулевые значения 45 величины на изменение компонента и а затем ключ 12 ставится в такое нов ложение, что система работа т н режи- ме советчика (полуавтомата) следующим образом.Текущие данные с блока 2 устройства 7. и вычислителя 9 (т,е. существенно-информационные 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 берутся записанные ранее положительные решения на изменение корректирующих значений изменений регулирующих параметров, В этом случае, если в режиме "советчика" система работает удовлетворительно, ключ 12 ставится в положение, при котором система переводится в автоматический режим работы, причем удовлетворительной считается такая работа системы, когда при выполнении ее команд ("сонетов") экономический показатель не ниже того, который записан на странице памяти. В случае, если он оказывается выше, прежняя страница стирается и для даныого показателя записываются новые данные и решения по ним,В качестве существенно-информационных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 памяти, при проведении реального процесса на заводе принимаются показания датчиков контролируемых параметров по всех технологической линии процесса ферментации иморфологические параметры, определяемыи вычислителем 9, культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов,включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из необходимых точек технологической линиипроцесса ферментации,Морфологические параметры включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т.д причем в качестве признаков принимаются статистические характеристики этих параметров.Система управления процессом ферментации приходит в равновесие, ког 1515150да признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного,Критерий оптимизации в системе управления, т,е, максимум продуктивности находят пе по концентрации биомассы Х, а по концентрации активных клеток (максимум Д Х ,) при минимумерасходных коэффициентов по компонентам питания, Процентное содержаниеактивньх клеток Х , определяется вблоке 16 одним из известных методов,например, по статистическим характеристикам распределения амплитуд опти -ческой плотности цитоплаэмы клеток,а степень вакуолизации определяетсяв блоке 18 по соотношению площадивакуоли к площади всей клетки, рассчитываемым по данным о морфолого-фи 40 разом:ПХд (ПХо)эдд )г+=Ы, 11 (Хп) задЙгБо Бс Роо ( сЮ( -),.где Х - концентрация биомассы;Х- процент активных клеток, получаемый на выходе блока 16;ПХ - продуктивность по концентрации активных клеток, получаемая на выходе блока 1; 50 Бо, 1 о зиологических параметрах клетки, вычисляемых в вычислителе 9, В блоке 17 умножения процентное содержание активных клеток Х , умножается на значение концентрации биомассы Х, поступаемое с устройства 7, Полученное 25 в блоке 17 умножения значение кон.центрации активных клеток поступает в блок 14 оптимизации, В блоке 14 оптимизации сменен критерий оптимизации, вместо минимум а произведсия 30 концентрации биомас,.ь 1 на скорость разведения ДХ, как в известпои с":"- ме, введен критерий по максимуму пр:. изведения концентрации активных кле ток на скорость разделения (ДХ),Таким образом, в предлагаемой системе в отличие от прототипа изменен критерий оптимизации, который в данном случае запишется следующим об - расходные коэффициенты по паХрафину, фосфору, азоту,0 днако ввиду того, что концентрация активных клеток Х изменяетсяво времени раньше, чем концентрациябиомассы Х, целесообразнее в системеоптимизации использовать Х, а неХ, что приводит к уменьшению запаздывания в системе, а следовательно, кБоулучшению показателей ДХ и -ХНа входе блока 13 идентификациииз вычислителя 9 поступают значенияморфолого-физиологических параметров,а также с устройства 7 значения концентраций биомассы Х, остаточных углеводородов Б, фосфора Гг О азота11, а также из блока расхода компонентов питания углеводородного Б,фосфора Р, азота Бскорости разведения Р, объема аппаратаВ блоке 13 идентификации рассчитываются коэффициенты математической модели процесса культивированияс учетом состояния культуры (МФ-параметры) и параметров среды (Б, И,Р) путем минимизации суммы квадратаразностей экспериментальных (за несколько часов, порядка 10 ч) и теор тических, рассчитанных по моделив блоке идентификации, значений Х,Б, Я, Р,На вход блока 14 оптимизации поступают с блока 13 идентификации текущие значения коэффициентов математической модели и с блока 17 умножения значения концентрации активныхклеток, и затем в блоке 14 рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания Б, 11, Р, и скорости разведения В таким образом, чтобыобеспечить минимум расходного коэффициента и максимум произведения концентрации активных клеток на скоростьразведения (Р Х- продуктивность поактивным клеткам).В зависимости от штамма микроорганизмов в блоке 21 пороговых значенийстепени вакуолизации задаются нижнийВ и верхний Бпороги степени вакуолизации В, которые сравниваются вблоке 19 сравнения с текущим значением В (в данный момент времени) степени вакуолиэации, определяемой вблоке 18 степени вакуолиэации. ЕслиВ (В, то подача компонентов питанияувеличивается на заданную в блоке 20Заказ 6276/45 Тираж 788 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по иэобретенияи и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-Э 5, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 коррекции по вакуолизации величинуЬЦесли В В, то подача уменьшается на заданную в блоке 20 величинуЖ, если же БВ -В, то Л Б=О. Сигнал коррекции по степени вакуолизации поступает на вход сумматора 15,Например, для штамма ВСГСапдйа ша 1 соза при В(1,57 подача компонентов питания Гпарафина ) увеличивается на 20 кг/ч, при В)57 подача питания уменьшается на 20 кг/ч,На другой вход сумматора 15 поступают сигналы коррекции с блока 14 оптимизации, На третий вход сумматора 1515 поступает сигнал управления, получаемый в блоке 11. В су;маторе 15происходит сложение этих сигналовс соответствующими удельными весамии вырабатывается общий сигнал управления,Данная система может работать какв режиме "советчика", так и в автоматическом режиме, для чего ключ 12ставится в необходимое заданное положение,Данная система приводит к улучшению состояния культуры, за счет чегоувеличивается выход биомассы на7,87 (с 2,6 до 2,8 г/л ч) и уменьшается расход компонестов британия на17 с 1150 до 1138 кг/т БВК),Система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере по автсв. 11 1359773,о т л и ч а ю ш а я с я тем, что, сцелью увеличения производительностиферментера, система дополнительноснабжена блоком пороговых значенийстепени вакуолизации, последовательно соединенными блоком определенияпроцентного содержания активных клеток и блоком умножения, последовательно подключенными блоком определениястепени вакуолизации клеток, блокомсравнения и блоком коррекции по вакуолизации, при этом один из выходоввычислителя морфологических признаков связан с входами блоков определения процентного содержания активныхклеток и степени вакуолизации клеток,выход устройства ввода данных химического анализа соединен с вторымвходом блока умножения, выход последнего подключен к входу блока оптимизации, а выход блока коррекции повакуолизации подключен на вход сумматора, причем второй вход блокасравнения соединен с блоком пороговых значений степени вакуолизации.