Способ автоматического управления процессом культивирования дрожжей

(19) 1792 1)5 С 1 2 18 ОУДАРСТ ВЕ ОМСТВ ГОСПАТЕН ЕННОЕ ПАТЕНТН СССРСССР) П РЕТЕНИ(54 ЛЕ 57 че Предполагаемое изо я микробиологическоФ ч стности к производс р жжей,С целью достижен ретение относитромышленности, у хлебопекарных оптимального екта и скооости итания обычно и от одного или есса: величины - ВО, скорости , уровня этало-. ти или отрабовленияарных дри дыхат процесожжей,ельноговне САНИЕ ИЗО КОМУ СВИДЕТЕЛЬС4852422/13 18,07,90 07.02.93, Бюл, М 5 Всесоюзный научно-исследовательский титут пищевой биотехнологии и Ленингское отделение Лаборатории технолодрожжей М,Ф. Казекин и А,М. Витринская Авторское свидетельство СССР 209717, кл. С 12 0 3/00, 1982, СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАЯ ДРОЖЖЕЙИспользование: в микробиологической мышленности, в частности в производе хлебопекарных дрожжей. Сущность соба выращивания дрожжей в периодикой культуре с притоком питательной уровня экономического эфф роота подачу углеводного и осуществляют в зависимост нескольких параметров проц дыхательного коэффициента потребления кислорода - ОО на в культуральной жидкос танином газе.Известны способы упра сом ферментации хлебопек основанные на поддержани коэффициента на определен.среды заключается в том, что расход угле- водного, ми ерального и витаминного питания осуществляют по определенным алгоритмам, при этом дозирование углевод- ного, минерального и витаминного питания осуществляют в зависимости от текущих значений количества биомассы, ее концентрации и экономического коэффициента использования субстрата. Применение данного способа управления периодиче ским процессом выращивания хлебопекарных дрожжей позволяет максимизировать производительность ферментеров и экономический коэффициент использования.субстрата. Данный способ может быть положен в основу АСУТП и использоваться в микробиологической промышленности для получения микробной биомассы. Согласно другому способу оптимальное 4 управление культивированием хлебопекар- О ных дрожжей осуществляют при помощи 3-х параметров: дыхательного коэффициента, К, скорости потребления кислорода и концентрации остаточного субстрата. , С)Существуетспособ управления ферментацией дрожжей, основанный на пдддержании концентрации этанола в культуральной жидкости или отработанном газе на задан-ном уровне.В основу оп-Ипе оптимального контроля для полунепрерывного культивирования дрожжей положены также концентрация биомассы и удельная скорость роста, определяемые по балансовым и кинетическим уравнениям, введенным в форме стехиометрических зависимостей.1792970 5 лагая зумевита раел карс 10 изоб ние.в димь такж тина 15 тина) - ЦСМ -50 1=Щ 1+ где сь+1 - кол иче торое необходим вала времени Ь ство раствора меласс о подать в течение и т = ц+1- гь следующе леднего измерен авать значения от 0,1, ко- нтерго за моментом пос ц (г; можно прид ч) ДО 1 Все известные способы имеют. недостатки. Способы управления процессом, основанные на поддержании РО на заданномуровне обеспечивают у дрожжей, подверженных действию глюкозного эффекта, в частности Я, сегеЫМае, максимальный выходбиомассы, но производительность при этомневысока.Применение способа управления на основании скорости потребления кислорода,Оо 2 и концентрации субстрата требует дополнительного определения еще 4-х параметров: Р 02, ко центрации С 02 и 02 вотработанном газе и концентрации остаточ-,ного сахара, Этот способ обеспечивает высокий выход биомассы в пределах низкихконцентраций дрожжей, не выше 70 гл и.не более 0,22 ч, В периодической культуредрожжей невозможно определить остаточный сахар, т, к. его количество близко к ОСпособы, основанные на поддержанииконцентрации этанола на определенномуровне не осуществимы в промышленныхусловиях, т. к, для постоянного определенияконцентрации этанола требуются чрезвычайно сложные и дорогостоящие газовыехроматографы индивидуально на каждыйдрожжерастительный аппарат,Способы, основанные на определениибиомассы косвенными методами по кинетическим и стехиометрическим уравнениямненадекны из-за нелинейности кинетических характеристик процесса с притокомпитательной среды, и как следствие, неточности определения биомассы,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту являетсяспособ управления процессом культивирования,По этому способу дозировку углеводного и минерального питания осуществляют в расчете на предполагаемый прирост биомассы, который рассчитывают за весь цикл при разных засевах и скоростях роста, Недостатком известного способа является то, что во-первых коэффициент прироста за предыдущий час механически закладывается в расчет дозирования питания на следующий час, что не соответствует реальной кинетике данного параметра (коэффициента часового прироста); во-вторых, предлагаемый способ управления не является гибким, так как привязан к графикам часового прироста дрожжей, составляемых для всегоцикла при разных величинах засева и скорости роста; в-третьих, способом не предусматривается увеличение и родуктивностипроцесса, а только выхода на 12 ОО,причем автор не указывает по сравнению с каким выходом происходит это увеличение,Автор также не упоминает о добавке биотина (или детиобиотина), правильно по, что это естественным образом подравается, так как без добавления этого мина становится бессмысленным упение процессом культивирования пеких дрожжей. В предполагаемом же ретении предусматривается дозироваитамина в количествах, строго необхо 1 х для прироста биомассы, при этом е учитывается высокая стоимость биоили его предшественника - детиобиоЦель изобретения - увеличение продуктивности процесса и экономического коэффициента использования субстрата до значений, близких к теоретически максимальным в данных условиях Поставленная цель достигается за счеттого, что дозирование углеводного и минерального питания осуществляют в зависимости от концентрации биомассы, ее количества в аппарате и экономического коэффициента использования субстрата, полученных к данному моменту времени, Сведения о подобном подходе к автоматическому управлению процессом культивирования в научной и патентной литературе отсутствует.Сущность способа заключается в том, что слюбымпостоянным интервалом времени, но не более часа, определяют концентрацию биомассы, ее количество в аппарате и выход к данному моменту времени, а дозирование углеводного питания осуществляют в расчете на максимально возможную в данных конкретных условиях скорость роста биомассы, которая является параболической функцией концентрации дрожжей, максимальный выход достигается за счет того, что при расчете дозы питания на последующий интервал времени из этой дозы вычитается количество неутилизированного к моменту измерения субстрата Расчет дозировки углеводного и минерального питания производится по следую1792970- СоЧо)т)Б , Б (4)где Рн 1, гчн 1, Бн.1 - количество фосфор-,азотсодержащего компонента и биотина5 (или детиобиотина), которые необходимоподать в течение интервала временит =7+1 цар, п 3 м, вБ - необходимое содержание в дрожжах(в массовых долях) Е 205, азо 10 та и витамина, соответственно;гпр, вн - массовая доля Р 205 и азотав дозируемых фосфор- и азотсодержащихкомпонентах;вм - массовая доля азота в дозируюр15 щем фосфорсодержащем компоненте (в случае использования диаммоний фосфата вкачестве источника фосфора);Рь М, ,Б - количества израсхо 20 дованных фосфор-, азотсодержащих компонентов и витамина, соответственно, ковремени измерения - ц,Пример 1,Дрожжи выращивают в лабораторномферментере общим обьемом 3 л. Пожиток уг-леводного и минерального питания осуществляют по описанным алгоритмам,Исходные данные для расчета дозировкиуглеводного питания;30 С = 30 г/л; С = 200 г/л 1,30г/г ч;Чо=1 л; Лт= 1 чд ",5 294 10.4,200 - 3035 К= - .=1,658 см /г.В конце 4-го ч культивирования полученыследующие данные:С 4 = 69,6 г/л; Ч 4 = 1,15 л; 04 = 62,5 г;69,6 1,15 - 30,1 0 840 у 4 62,5 0 ЯПодставив эти данные в формулу(1), узнаем,какое количество мелассы следует добавитьв течение 5-го часа культивирования:45, -4,05 = 1+ (200 - 6,96) 5,29 10 69,6 х. х 1,15 - (1 - 0,8) 62,5=8,5 гмелассы или 8,5 х 1,658 = 14,09 - 15 мл р-раелассы, Исходные данные для раСчета доровки минерального питания и биотина: С ч Со чо,чо - начальный обьедкости;К - коэффицндартной мелаальной меласс а 1 = культуральной ст ту СВи браж гдино ест46вст м.Са 1 - максимально возможная в данном аппарате концентрация биомассы;С 1 - текущая концентрация клеток; А - коэффициент пропорциональности между скоростью прироста биомассы - а и ее концентрацией - С;а= 1(С), гд 1 - параболическая функция:ди=(1 +с.-с,) Агъ Чи ленное значение А определяется при сл дующих условиях; 1=0,=+1 - т 1 = 1 ч; Сп - определяется экспериментально; С = Со - начальная концентрация биома сы;а+1 = а - начальный коэффициент часо ого прироста, величина которого опреде яется экспериментально; А = (а 1 - 1) Сщ Со ч - объем культуральной жидкости в момент измерения концентрации клеток;Х 0 - масса израсходованной стандартн й мелассы ко времени измерения - ту - выход или зкономический коэффици нт использования субстрата к моменту вр мени т иент перерасчета массыссы на объем раствора наы: СВ 46бСЬ 2 ах2 ах - содержание сухих веществ иваемых сахаров (в о) в натуральссе;Ь - плотность и содержание сухих в растворе мелассы;содержание сбраживаемых сахандартнай мелассе (в Я РК(диамм.фас.) 0 50 О м = 0,19; ем = 0,003;,Щ 1 /пцч,Ь с,)д) ,"), Б),Бн 1= Р+ - СоЧоЗпь Подставив указанные данные в формулы (2) - (4), получим кол-во солей и биотина, которые необходимо израсходовать в течение 5-го часа культивирования:диаммонийфосфата - 5 Р 5=(Я 1+ (200 - 69,6) 5,2910 4) хх 69,6 1,15 - 30,1 0,0065 - 0,5 0,7)= 05 10 г В конце культивирования концентрация биомассы 200 г/л. Среднее время генерации Ф о р мул а изобретен ия Способ автоматического управленйя процессом культивирования дрожжей путем изменения подачи углеводного и минеральногопитания, отличающийся тем, что, сцелью сокращения времени процесса культивирования и увеличения выхода, дополнительно вводят витамины, при этом ко.- личество вводимого углеводного и минерального питанйя витаминов определяют по следующим формулам: 3,35 часа при кратности разбавления мелассы 1:5,6. Экономический коэффициент утилизации субстрата 1,06 г дрожжей/г мелассы.П р и м е р 2. Процесс ведется в промышленном ферментере общим объемом 60 м, Начальная концентрация 10 г/л, к концу зпроцесса 93 гlл, экономический коэффициент утилизации мелассы 1,0 (100 О), среднее время генерации 3,15 часа.Сопоставление предлагаемого способа с известными показывает следующие его преимущества:способ обеспечивает переработку концентрированных сред (разбавление 1:5,6) с высокой производительностью аппаратов и выходом биомассы, близким к максимально возможному (до 110%):способ обеспечивает экспоненциальный характер размножения м/о с временем генерации 3,0-3,4 ч и достйжение высокой концентраций биомассы за короткий срок,Таким образом, предлагаемый способявляется новым и полезным,где о)+ - количество растворов мелассы, которое необходимо подать в течение интервала времени Ьг =г)+1 - т, следующего за моментом последнего измерения т);Спъ - максимально возможная в данном аппарате концентрация биомассы;Со - начальная концентрация;С) - ее текущее значение;А - коэффициент пропорциональности; Ч) - объем культуральной жидкости в момент измерения концентрации биомассы;Чо - начальный объем культуральной жидкости; уь,), Сл - экономический коэффициент использования субстрата, масса израсходованной стандартной мелассы к моменту времени 7),К - коэффициент пересчета массы стандартной мелассы на обьем раствора натуральной мелассы;Рн 1, %+1, Б+1 - количества Фосфор-, азотсодержащего компонента и биотина (или детиобиотина), которые необходимо подать в Ферментер в течение интервала времени Ьг =5+1- Ф;.вр, еи, аб - необходимое содержание в дрожжах(в массовых долях) Рг 05, азота, витамина, соответственйо;1792970 10 к кер, вм - массовая доля Р 205 и азота в дозируемых фосфор- и азотсодержащих компонентах;ен - массовая доля азота в дозируермм фосфорсодержащем компоненте (например диаммоний фосфате); пщ - массовая для утилизируемогоазота в мелассе; Составитель М.КазекинТехред М,Моргентал Корректор А,Мотыль Редактор С.Кулакова Заказ 482 Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва. Ж. Раушская наб., 45 Производственно издательский комбинат "Патент, г. Ужгород, ул,Гагарина, 101, РьйьБ 1 - количества израсходованных фосфор-, азотсодержащих компонентов и витамина соответственно ко времени измерения 11.