Система управления процессом культивирования микроорганизмов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 80158578 А 05 П 27 0 Г 5 ПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ ЕТЕЛЬСТВУ А ВТОРСНОМ,Ф нор- ачены ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковыхвеществ(56) Авторское свидетельство СССРЯ 1359773, кл, С 05 Р 27/00, 1985.(54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМКУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ(57) Изобретение может быть использовано в производстве белково-витаминных концентратов, ферментов,антибиотиков. Цель изобретения состоит в увеличении выхода биомассыи сокращении срока окупаемости засчет уменьшения времени запаздыва 2ния в каналах управления и увеличения эффективности коррекции, Система дополнительно содержит подсистему быстрой идентификации параметров модели, включающую блок 6 быстрой идентификации параметров модели, блок 17 контактов, коммутатор 8. Выход блока 16 быстрой идентификации параметров модели соединен с блоком 14 оптимизации, а входы его через нормально разомкнутые контакты соединены с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, устройством 7 ввода данных химического анализа и вычислителем 9 морфологических признаков. Другие выходы этих блоков через мально замкнутые контакты подклю к блоку 13 идентификации, который через нормально разомкнутый контакт подключен к блоку 6 6 строй ицентификации. Вход коммутатора 18 подключен к пульту 5 управления, а выход - к блоку 17 контактов. 1 ил.35 Изобретение относится к микробиологической промышленности и можетнайти применение на заводах белкововитаминных концентратов, ферментов,антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов.елью изобретения является увеличение выхода биомассы и снижение 10срска окупаемости системы.На чертеже изображена структурнаясхема системы управлейия процессомкультивирования микроорганизмов.Система состоит из Ферментера 1, 5блока 2 датчиков контролируемыхпараметров процесса ферментации,блока 3 суммирования, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок 20управляемых параметров, устройства7 ввода данных химического анализа,блока 8 сканирующих микроскопов,вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, блока 2510 памяти, блока 11 Формированиясигналов коррекции, ключа 12 угравления, блока 13 идентификации параметров модели, блока 4 оптимизации,сумматора 15, блока 16 быстрой идентификации параметров модели, блока7 контактов, коммутатора 18,Секции ферментерасоединены сблоком 8 сканирующих микроскопов, навыходе которых датчики оптическойплотности (на чертеже не указаны)соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй входвычислителя 9 соединен с выходом 40блока 10 памяти. В блоке 10 памятизаписаны удовлетворительные решенияна изменение управляемых параметров,а также отличительные морфологические и статистические признаки культуры 45микроорганизмов, на основании которыхранее были приняты удовлетворительные решения, улучшившие экономические показатели процесса ферментации,(количества и качества продукта),В блок 10 памяти поступают также данные с блока 2 датчиков контролируемыхпараметров процесса ферментации и сустройства 7 ввода данных химическогоанализа, Выход блока 10 соединен свходом блока 11 формирования сигналовкоррекции, на вход которого поступаютданные с блоков 2,7 и вычислителя 9,Выход блока 1 Формирования сигналов коррекции соединен через сумматор 5,ключ 12 пупьта 5 управления с блоком3 суммирования, Один из входов блока13 идентификации через нормальнозамкнутые контакты 111 блока 17 контактов связан с блоком 2 датчиковконтролируемых параметров, другой -через нормально замкнутые контакты111 блока 17 контакта с выходом вычислителя 9 морфологических признаков,третий - также через нормально замкнутые контакты 111 блока 17 контактовсвязан с устройством 7 ввода данныххимического анализа, а выход блока13 идентификации параметров моделичерез нормально разомкнутые контакты 1 Ч блока 17 контактов связан свходом блока 16 быстрой идентификации параметров модели, выход которогосоединен через блок 14 оптимизациис входом сумматора 5, другой входсумматора 15 соединен с выходом блока 11 Формирования сигналов коррекции, а выход сумматора 15 посредствомключа 12 управления соединен с пультом 5 управления и йлоком 3 суммирования,: Второй, третий и четвертыйвходы блока 16 быстрой идентификации параметров модели через нормально разомкнутые контакты 17 блока 7контактов соединены соответственно сблоком 2 датчиков контролируемых параметров, устройством 7 ввода данныххимического анализа и вычислителем9 морфологических признаков. Блок 17контактов соединен с коммутатором18, вход которого подключен к выходупульта 5 управления, Выход пульта5 управления соединен также с входомг,блока 3 суммирования и с входомблока 10 памяти. Выход блока 6 начальных уставокуправляющих параметров соединен с входом блока 3 суммирования, выход которого соединенс входом блока 4 исполнительных механизмов, изменяющих подачу компонентов в Ферментер 1,Система работает следующим образом.Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 2 устанавливается в нейтральное положение.На пульт 5 управления и в олок Опамяти поступают данные с блока 2датчиков контролируемых параметров,вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7. Приэтом по данным с пульта 5 управления принимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6,Значения величины и знака изменений подачи в ферментер 1 компонентов, регулирующих эти параметры, поступают с пульта 5 управления в блок 10 памяти, где они записываются на одну страницу рядом с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9, для которых принято решение на изменение параметров. Если решение положительно, то эта страница с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9 и с соответствующим решением на изменение величины и знака компонента остается в блоке О памяти. Если решение отрицательно в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из.памяти. На этой же странице записывается, во сколько раз увеличивается экономический показатель.С 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 величины на изменение ком-,понент и получаемые при этом положительные решения также записываются в блок 10 памяти,При обучении нет необходимостизадавать условия для отклонения процесса от нормы, а нужно обрабатыватьреально текущие процессы. После окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени Т (недели,месяцы), производится математическаяобработка полученных результатов (выбор метрики, высоких коэффициентови т;д.), а затем ключ 12 ставитсяв такое положение, что системаработает в режиме "советчика" (полуавтомата) следующим образом,Текущие данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9 (т.е. существенно информационные признаки процесса) поступают в блок 11 Формирования сигналовкоррекции, где они сравниваются поодному из алгоритмов распознаванияобразов с данными, записанными настраницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями. Блок 11 выбирает из блока 10 памяти данные тойстраницы у книги для заданного типасырья, которые ближе всего к данным 85785 6отекущего процесса, и с этой страницыберется записанное ранее положительное решение на изменение корректирующих значений изменений регулирующихпараметров.Если в режиме "советчика" системаработает удовлетворительно, то ключ12 ставится в положение, при котором10. система переводится в автоматическийрежим работы, причем удовлетворительной. считается такая работа системы,когда при выполнении ее команд ("советов") экономический показатель нениже того, который записан на странице памяти, В случае, если он оказывается выше, то прежняя страница стирается и для данного показателя записываются новые данные и решения по ним.20 В качестве существенно информационных признаков процесса Фермвнтации(классов), которые записываются в блокО памяти при проведении реальногопроцесса на заводе, принимаются пока 25 зания датчиков контролируемых параметров по всей технологической лйниипроцесса ферментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры микроорганизмовЗ 0 (самих микроорганизмов, включений вних и в среде) из различных секцийферментера 1 и из необходимых точектехнологической линии процесса Ферментации.35Морфологические параметры включаютв себя геометрические размеры, форму,число частиц различной формы и включений и т.д., причем в качествепризнаков принимаются статистические40 характеристики этих параметров,статистические характеристики культуры микроорганизмов, рассчитанныепо сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа, дан 45 ные химического анализа с устройства 7.Система управления процессом ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпа 5 дают с признаками эталонного, оптимального,Локальная оптимизэция (блок 13идентификации параметров модели,блок 14 оптимизации и сумматор 15)55 уточняет и дополняет работу системыуправления.На вход блока 1 3 идентификации извычислителя 9 поступают значения морфолого-физиологических параметров, 1585785контакты ЕЕЕ блока 17 контактов нормально замкнуты, группа контактов Е 7 нормально разомкнута. При поступлении с пульта 5 управления сигнала начала сеанса коррекции в коммутатор 18 срабатывает блок 17 контактов, контакты ЕЕЕ размыкаются, а контакты группы ЕЧ замыкаются и начинает работать блок 16 быстрой идентификации (одно экстремальный), Начальные условия для работы блока 16 (приближенные значения коэффициентов модели) поступают с блэка 13 через один из замкнувшихся контактов ЕЧ, а с блоков 2, 7, 15 10 поступают в блок 16 начальные условия по выходным параметрам процесса биосинтеза через остальные замкнувшиеся контакты группы ЕЧ, Работает блок 16 быстрой идентификации 20 в течение 3-5 с - на каждый ферментер, И до начала следующего сеанса коррекции работает блок 13.Таким образом, использование системы управления процессом культивирования микроорганизмов, дополнительно снабженной блоком быстрой идентификации параметров модели, блоком контактов и коммутатором за счет уменьшения времени запаздывания в каналах 30 управления, позволяет увеличить эффективность коррекции (уменьшить минимизируемый критерий управления), т.е, продуктивность, выход биомассы ВХ увеличить на 5 Е с 2,6 до 2,73 г/лч и уменьшить стоимость системы, сократив тем самым срок окупаемости системы с 7 до 5 мес для Башкирского биохимического комбината, где будет внедрена система управления на 19 фермен терах, и используется одна управляющая ЭВМ (и одна в резерве) вместо 19 ЭВМ.1 Формула изобретенияСистема управления процессом культивирования микроорганизмов, включающая последовательно соединенные ферментер, блок датчиков контролируемых параметров, пульт управления, блок суммирования и блок исполнительных механизмов, выход которого подключен к Ферментеру, последовательно соединенные блок сканирующих микроскопов, вход которого подключен к. Ферментеру, вычислитель морфологических5 признаков культуры микроорганизмов,блок памяти, блок Формирования сигналов коррекции сумматор, ключ управления, первый выход которого соединен с пультом управления, а второй - с блоком суммирования, а также блок начальных уставок управляемых пара;метров, выход которого подключен квходу сумматора, устройство вводаданны;. химического анализа, входкоторого соединен с Ферментером, апервый выход - с пультом управления,второй выход - с входами блоков формиравания сигналов коррекции и памяти, блок оптимизации, выход которогоподключен к сумматору, и блок идентификации параметров модели, при этом входы блоков памяти, суммирования и формирования сигналов коррекции соединены с выходом блока датчиков контролируемых параметров, входы пультауправления и блока формирования сигналов коррекции подключены к выходу вычислителя морфологических признаков культуры микроорганизмов, вход блока памяти соединен с выходом пульта управления, второй выход блока памяти - с вторым входом вычислителя морфологических признаков культуры микроорганизмов, о т л и - ч а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода биомассы и сокращения срока окупаемости системы, она дополнительно снабжена блоком быстрой идентификации параметров модели, блоком контактов и коммутатором, причем выход блока быстрой идентификации параметров модели соединен с блоком оптимизации, а входы его через нормально разомкнутые контакты блока контактов соединены с выходами блоков датчиков контролируемых параметров и идентификации параметровмодели, устройства ввода данных химического анализа и вычислителя морфологических признаков культуры микроорганизмов, входы блока идентификации параметров модели через нормально замкнутые контакты блока контактов соединены с выходами блока датчиков контролируемых параметров, устройства ввода данных химического анализа и вычислителя морфологических признаков культуры микроорганизмов, вход коммутатора соединен с пультомуправления, а выход коммутатора - сблоком, контактов.1