Система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере

Изобретение относится к микробиологической промьпппенности и может быть использовано на заводах белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов.Целью изобретения является увели-. чение выхода биомассы.На чертеже изображена структурная 1 О схема системы управления процессом . культивирования микроорганизмов.Система состоит из Ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3 суммирования сигналов коррекции, бло" ка 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока .6 начальных уставок управляемых параметров,устройства 7 ввода данных химического .анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, блока 10 памяти, блока 11 Формирова- .25 ния сигналов коррекции, ключа 12 управления, блок 13 идентификации параметров модели, блока 14 оптимизации, сумматора 15, блоков 16 и 17 суммирования значений подачи питания (парафина), блока 18 вычитания, блока 19 сравнения, блока 20 заданных значений коррекции подачи питания, ключа 21 коррекции скорости протока, блока 22 заданныхзначений коррекции скорости протока.Секции Ферментера 1 соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которых датчики оптической плотности (не показаны) соединены с 0 первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя 9 соединен с выходом блока 10 памяти. В блоке 10 памяти записаны удовлетво рительные решения на изменение управляемых параметров, а также отличительные морфологические и статистические признаки культуры микроорганизмов, на основании которых ранее приняты удовлетворительные решения, улучшившие экономические показатели процесса Ферментации (количества и качества продукта). В блок 10 памяти поступают также данные с блока 2 датчиков конт 55 ролируемых параметров процесса Ферментации и с блока 7 ввода данных химического анализаВыход блока 10 памяти соединен с входом блока 11 формирования сигналов коррекции, на входкоторого поступают данные с блоков 2и 7 и вычислителя 9. Выход 11 блокаФормирования сигналов коррекции соединен через сумматор 15, ключ 12 пульта 5 управления с блоком 3 суммирова" ния сигналов коррекции. Один из входов блока 13 идентификации связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, другой - с выходом вычислите- ля 9 морфологических признаков, третий - с устройством 7 ввода данных химического анализа, а выход блока 13 идентификации параметров модели связан с входом блока 14 оптимизации, выходкоторого соединен с входом 15 сумматора. Другой вход сумматора 15 соединенс выходом блока 11 Формирования сигналов коррекции, а выход сумматора 15 посредством ключа 12 управления соединен с пультом 5 управления и блоком 3 суммирования.Выход пульта 5 управления соединен с входом блока 3 суммирования сигналов коррекции и с входом блока 10 памяти, Выход блока 6 начальных уставок управляющих параметров соединен с входом блока 3 суммирования, выход которого соединен с входом блока 4 исполнительных механизмов, изменяющих подачу компонентов в Ферментер 1.Для того, чтобы в случаях, когда используемая в блоках 11 и 14 математическая модель неадекватна, биомасса не вымывалась, т.е. не снижалась продуктивность в предложенной системе управления процессом культивирования, выход блока 10 памяти подключен к входам блоков 16 и 17 суммирования значений подачи питания (парафина). Вы" ходы этих блоков 16 и 17 подключены на вход блока 18 вычитания, а выход блока 18 соединен с входом блока 19 сравнения, другой вход которого соединен с блоком 20 заданных значений коррекции подачи питания, а выход блока 19 сравнения связан с ключом 21 коррекции скорости протока, соединяющим блок 22 заданных значений коррекции скорости протока с блоком 3 суммирования сигналов коррекции.Система работает следующим образом.Работа системы начинается с обучения, для чего ключ 12 устанавливается в нейтральное положение. На пульт 5 управления и в блок 10 памяти поступают данные блока 2 датчиковбирает иэ блока 10 памяти данные тойстраницы, книги для заданного типасырья, которые ближе всего к даннымтекущего процесса, и с этой страницыберется записанное ранее положительное решение на изменение корректирующих значений изменений регулирую,10 щих параметров,11В этом случае, если в режиме советчика" система работает удовлетво"рительно, то ключ 12 ставится в положение, при котором система переводится в автоматический режим работы,причем удовлетворительной считаетсятакая работа системы, когда при выполнении ее команд ("советов") экономический показатель не ниже того,20 который записан на странице памяти.В случае,если он оказывается вышее,то прежняя страница стирается и дляданного показателя записываются новыеданные и решение по ним.25 В качестве существенно-информационных признаков процесса Ферментации(классов), которые записываются вблок 10 памяти при проведении реальЭО 35 40 45 50 55 5 158контролируемых Физико-химических параметров, с вычислителя 9 отличительных морФологических признаков культуры микроорганизмов и химических данных с устройства 7, По этим даннымс пульта 5 управления принимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоныуправляемых контролируемых параметровзадаваемых блоком 6,Значения величины и знака изменения подачи в Ферментер 1 компонентов, регулирующих эти параметры, поступают с пульта 5 управления в блок10 памяти, где они записываются наодну страницу рядом с данными блоков2 и 7 и вычислителя 9, для которыхпринято решение на изменение параметров. Если решение положительно, тоэта страница с данными блоков 2, 7 ивычислителя 9 и соответствующим решением на изменение величины и знакакомпонента остается в блоке 1 О памяти. Если решение отрицательно в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из памяти. На этой же страницезаписывается во сколько раэ увеличивается экономический показатель с данными дискретом по времени, олисанныйцикл повторяется, и из набранных страниц для данного типа сырья, напримерпараФина, в .блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения величины на изменение компонент и получаемые при этом положительные решениятакже записываются в блок 10 памяти.При обучении нет необходимости задавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обрабатыватьреально текущие процессы, Послеобучения, 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 такое положение, что .система работает в режиме "советчика" (полуавтомата) следукнцим 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 распознаванияобразцов с данными, записанными настраницах в блоке 10 памяти с соот 5786 6 ветствующимв решениями, Блок 11 выного процесса на заводе, принимаютсяпоказатели датчиков контролируемыхпараметров по всей технологическойлинии процесса Фериентации и морФологические параметры (определяемыевычислителем 9) культуры микроорганизмов (самих микроорганиэмов, включений в них и в среде) из различныхсекций Ферментера 1 и из необходимыхточек технологической линии процессаФерментации.ЬИорФологические параметры включают в себя геометрические размеры,Форму, число частиц различной Формыи включений т.д., причем в качествепризнаков принимаются статистические,характеристики этих параметров;статистические характеристики культурымикроорганизмов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотностисканирующего микроскопа; данные химического анализа с устройства 7. Система управления процессом Ферментацииприходит в равновесие, когда признакитекущего процесса совпадают с признаками эталонного оптимального.,Локальная оптимизация (блок 13идентиФикации параметров модели, блох14 оптимизации и сумматор 15) уточняет и дополняет работу систему управления.Система управления работает следующим образом,На вход блока 13 идентиФикации из вычислителя 9 поступают значение ИФ параметров, а также с устройства 7- значения концентраций биомассы (Х), остаточных углеводородов (8), Фосфора (РО), азота (Я), а также из блока 2 расходы компонентов питания углеволородного (81), Фосфора (Ро ), азота (Я ), скорости разведения (Р), объема аппарата (1).В блоке илентификации рассчитываются коэффициенты математической молели процесса культивирования с учетом состояния культуры (Мф параметры) и параметров среды (8, Я, Р) путем минимизации суммы квадрата разностей экспериментальных (за несколько часов,20 порядка 10 ч) и теоретических, рассчитанных по модели в блоке иЛентификации значений Х,Я,Я,Р.. На вход блока оптимизации поступа-. ют с блока илентификации текущие зна чения коэффициентов математической модели и затем в блоке рассчитываются сигналы коррекции подачи компонентов питания:(31,Б,Р) и скорости развеЛения (Р) таким образом, чтобы обес печить минимум заданного критерия, Например, испытывается критерийЯо (Яо)РХ-(РХ)зХ (Х )ф1=Р (- г ) 2+ ( 2 1 РХзад(Яо)у ЗАД Яо Яо Ро Роее ( ) - - Х Х зад Х Х ЗадОф 81 4 Я .82 ОфЯ 1 ь Я 6 Я + ,Я-д 8),8 + р . Я,ЯЯ.+ОР РР + Р- У,Р Ро -,Р+3 Р Р,50 гЛе- весовые результаты;данные номинальные значения; 1 юЯгР РюЯ 1 Я - нижнее и верхнее регламентные значения концентраций остаточных углеволоролов, Фосфора, азота; (;, 4 - константы,С блока оптимизации сигналы коррекции поступают на сумматор 15, на другой вход которого поступает сигнал управления 0 , получаемый на блоке 11. В сумматоре происходит сложение этих сигналов с соответствующими удельными весами и .вырабатывается общий сигнал управления"=К Лкор +КРоГгЛе 0 - общий сигнал управления; Око - сигнал управления, получаемый локально-оптимизационнойчастью системы,Б о . - сигнал управления, получаемыйо зчобучающейся частью системы; К ,К - удельные коэдиЪицненты.В случае отказа обучающейся части К равно О.Система может работать как в режиме советчика так и в автоматическом режиме, лля чегоключ 12 ставится в необходимое заданное положение.Обучающая часть системы использует в своей работе информацию о процессе, полученную в течение ограниченного отрезка времени (недели, месяца), На производстве в процессе Ферментации довольно часто (4-6 раз в сутки) возникают ситуации, ранее не встречающиеся, и в этом случае обучающая система дает отказ. Использование системы локальной оптимизации ликвидирует возможность отказов, так как эта поЛ- система не обладает ограниченной памятью и использует лишь текущую информацию о процессе Ферментации.В случае неадекватности модели при резкой разгрузке по парафину лля своевременного уменьшения отбора в предложенной системе заполненные в блоке 10 памяти значения нагрузки по парафину за прельщущие 4 сеанса коррекции нагрузки по парафину подаются в блоки 16 и 17 суммирования, гле вычисляется полусуммыРКЗ,З+РК 4 З 2=" - -- - в блоке 17 1 У гле РР подача парайнна (в скоб ах1 указан номер сеанса коррекции, например ,6- последний сеанс коррекции, 5 " - предыдущий и т.л.;Е - заданное значение подачипарафина.Далее в блоке 18 вычисляется раэ.ность РКЕ=,Г, - , что позволяет определить падение парафина, а следовательно, своевременно изменить проток,а полученная разность в блоке 19 сравнения сравнивается с заданным значением падения подачи парафина РКЕ 1,поступаемого с блока 20,Если РКЕ)РКЕ 1, то сигнал с блокасравнения замыкает ключ 21 коррекциискорости протока, и заданное значениекоррекции скорости протока проходитс блока 22 в сумматор 3. В этом случае, если математическая модель алеквантна, то каналы оптимизации (блоки,13 - 15) и формирования сигналовкоррекции (блок 21) при резкой разгрузке по парафину успевают своевременно уменьшать отбор (скорость протока), тогда отсутствует сигнал сблока 19 и ключ 21 остается разомкнутым. П р и м е р, При работе системыуправления часто наблюдались случаи,когда в системе, работающей на основемодели (блоки 13 - 15), блок 11 неуспевал сбрасывать (корректировать)отбор дрожжевой суспензии при резкойразгрузке аппарата по парафину,30 35РКЗ=1500РК 4 3 =1450РК Ь 1=1400РК 6 =1300=Й,-,т, =125 кг/ч.Если РКЕ 1=100 кг/ч, то РКЕРКЕ 1, блок 19 включает реле, замыкается ключ 21 и отбор уменьшается на заданную в блоке 22 величину, на 1 м /ч. 45Такое своевременное уменьшение отбора приводит к тому, что биомасса не падает, т.е. процесс идет стабильно, а следовательно, в среднем с большей продуктивностью.Таким образом, использование систе" мы управления процессом культивирования микроорганизмов с дополнительно введенными блоками суммирования значений подачи питания (парафитан), вычитания, сравнения заданных значений коррекции подачи питания, заданных значений коррекции скорости протока и ключом коррекции скорости протока за счет дополнительной коррекции скорости протока суспензии с учетом подачи питания (парафина) позволяет улучшить экономические показатели процесса, что приводит к увеличению выхода биомассы (производительности) на 57 (с 2,6 г/л ч до 2,73 г/л ч).Формула и з обретенияСистема управления процессом культивирования микроорганизмов в фермен тере по авт. св, Р 1359773, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода биомассы, она дополнительно снабжена последовательно соединенными первым блоком суммирования значений подачи питания, блоком вычитания, блоком сравнения и ключом коррекции скорости протока, выход которого подключен к входу блока суммирования сигналов коррекции, а также блоком заданных значений коррекций подачи питания, выход которого подключен к входу блока сравнения, блоком заданных значений коррекции скорости протока, выход которого подключен к ключу коррекции скорости протока, и вторым блоком суммирования значений подачи питания, выход которого соединен с блоком вычитания, а вход - с входом первого блока суммирования значений подачи питания и с выходом блока памяти.