Способ автоматического управленияпроцессом непрерывного культивированиямикроорганизмов и система дляего осуществления

Союз Советских Сониалистических Республик(51) М Кл зС 12 В 1 аявкис присоединение (23) Приоритет - (43) Опубликовано 0 (45) Дата опубликов Государственный комите 7.03.81. Бюллетеньания описания 07.03.81 3) УДК 663.132(71) Заявитель иевскии технологическии институт пище промышленности4) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ И СИСТЕМА ДЛЯЕГО ОСУШЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к микробиологичсской и пищевой промышленности, а именно к процессам непрерывного выращивания микроорганизмов, например биомас. сы кормовых дрожжей.Известен способ автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, предусматривающий измерение расхода сусла, поступающсго в фсрмснтср, концентрации рсдуцирующих веществ (РВ) в сусле и остаточных РВ в дрожжевой суспензии, регулирование расхода воды и сусла, поступающих в ферментер, и объема среды вферментере (11.Известна также система автоматического управления для осуществления этого способа, содержащая контуры регулирования объема среды в ферментере и подачи воды и сусла в ферментер, датчики концентрации РВ в сусле и дрожжевой суспензии, два блока умножения и блок определения расхода воды, соединенный с регуляторами контуров регулирования пода чи воды и сусла в ферментер 11,Недостатком данного способа управления и системы для его осуществления является наличие колебаний концентрации РВ в дрожжевой суспензии, так как процесс регулирования этого параметра начинает 2ся только после отклонения концентрации 1 В от заданного значения. Вследствие достаточно большой инерционности данного канала регулирования возможны довольно 3 значительные колебания концентрации РВв дрожжевой суспецзцп, а следовательно, ц уменьшение выхода микроорганизмов.Цель изобретения - стабилизацияконцентрации остаточных РВ в дрожжс О вой суспензип и повышение тем самымвыхода микроорганизмов.Указанная цель достигается тем, чтоопределяют скорость изменения концентрации остаточных РВ в дрожжевой сус- И пснзии и изменение скорости потребленияРВ культурой микроорганизмов, а регулирование расхода воды и сусла осуществляют с учетом скорости изменения концентрации остаточных редуцирующих веществ 20 в дрожжевой суспензии и изменения скорости потребления РВ культурой микроорганизмов.Система автоматического управления,реализующая способ, снабжена задатчц ками суммарного расхода воды и сусла,расхода РВ и концентрации остаточных РВ в суспензии, корректирующим блоком, блоком определения изменения скорости потребления РВ и блоком дифферецциро.30 вания, выход которого через первый вход(21 Яде= Я, + Ов,3блока умножения связан с одним из входов блока изменения скорости потребления РВ, другой вход последнего через второй блок умнокения одновременно под. ключен к задатчику суммарного расхода воды н сусла, сумматору п блоку определения расхода воды, а выход его прн помощи блока определения изменения расхода сусла соединен с одним из входов корректирующего блока, второй вход ко. торого подключен к задатчику расхода РВ и датчику концентрации РВ, прн этом выход корректирующего блока соединен с блоком определения расхода воды, второй вход первого блока умножения связан с датчиком объема, а сумматор подключен к задатчику и датчику концентрации остаточных РВ.Материальный баланс питательных веществ в ферментере выражается следующим уравнением: Яс С - А - Я а Сост 1 = О, (1),й где Я, - приток сусла в ферментер;С - концентрация РВ в сусле;Л - скорость потребления РВ рас.тущей биомассой дрожжей;Ядс - отбор дрожжевой суспензии изферментера;Ь - объем среды в ферментере;С,. - остаточная концентрация РВ вферментере.В практических расчетах принимают,что где Я - приток воды па разбавление вферментер.В случае, если С, = сонями, то уравнение (2) принимает следующий вид;А=о,. С - (О, + О,) С (3)Однако в производственных условияхдаже прн постоянной скорости поступления РВ в ферментер (Я,. С=сопз 1) величина С .изменяется вследствие различных возмущающих воздействий на процесс,Это указывает на изменение потребленияпитательных веществ культурой микроорганизмов. Значение этого изменения мож.но представить в следующем виде:ЛА:. (а + Ц,). ЛС,где ЛСос, - изменение концентрации остаточных РВ, кг/м,Знак-в уравнении (4) показывает, что увеличение Спроисходит при умень. щении скорости потребления питательных веществ микроорганизмами и наоборот,При изменении Л необходимо изменять подачу РВ в ферментер таким образом, чтобы поддерживать величину Сна неизменном уровне. Дополнительное введе. о 5 30 40 45 50 56 60 65 4нне сигнала по скорости отклонения кон центрации остаточных РВ в культурной жидкости, т. е. регулирование в соответствии с уравнением (4), значительно ускорит процесс регулирования, за счет чего уменьшаются колебания С, и произойдет бо лее полное потребление питательных веществ. Это, в свою очередь, приводит к увеличению выхода микроорганизмов из единицы питательного субстрата.Для устранения колебаний С, изме. няют расход сусла в ферментер таким образом, чтобы изменение, скорости притока питательных веществ равнялось изменению скорости их потребления:М, С=ЛА,Требуемое значение изменений расхода сусла при этом определяют из уравнения (5): На чертеже изображена структурная схема системы автоматического управления, реализующей предложенный способ.Контур регулирования объема (уровня) среды в ферментере содержит датчик 1 объема, регулятор 2 и исполнительное устройство 3 на линии отбора дрожжевой суспензии из ферментера. Контур регулирования расхода сусла включает в себя датчик 4 расхода сусла, регулятор 5 и исполнительное устройство 6 на линии пода чи сусла в ферментер. В контур регулирования расхода воды входят датчик 7 расхода воды, регулятор 8 и исполнительное устройство 9 на линии подачи воды в ферм ентер,В ферментере установлен датчик 10 концентрации остаточных РВ в суспензин, соединенный с блоком 11 дифференцирования и сумматором, причем ко входусумматора 12 также подключен задатчнк 13 концентрации остаточных РВ в суснензии.Выходы блока 11 дифференцирования и датчика 1 объема подключены и первом олоку 14 умножения, а выходы сумматора 12 и задатчика 15 суммарного расхода воды и сусла - ко второму блоку 1 б ум 11 ожения, выходы обоих блоков умножения, в свою очередь, соединены с входом блока 17 определения изменения скорости потребления РВ оиомассой микроорганизмов. Блок 17 н датчик 18 концентрации РВ в сусле подключены к блоку 19 определения изменения расхода сусла, а последний, как н блок 20 определения расхода сусла, соединен с блоком 21 корректировки расхода сусла. К входу блока 20 определения расхода сусла подключены задатчнк 22 расхода РВ в ферментер и датчик 18 концентрации РР в сусле. Вы ход блока 21 подключен к регулятору 5 расхода сусла и блоку 23 определениярасхода воды, причем к входу последнего подключен также задатчик 15 суммарного расхода воды и сусла, а выход блока 23 соединен с регулятором 8 расхода воды,Система работает следующим образом.Гри отклонении объема (уровня) среды, измеренного датчиком 1 от заданного значения, регулятор 2 объема перемещает исполнительное устройство 3 до устранения этого рассогласования. Если вследствие каких-либо возмущений на процесс культивирования изменяется скорость потребления РВ микроорганизмами, то изменяется сигнал от датчика 10 концентрации остаточных РВ в суспензии. В блоке 11 дифференцирования при этом определяетсяас, скорость изменения этой величиныЮСигналы от блока 11 дифференцирования и датчика 1 объема перемножаются в блоке 14 умножения, в результате чего определяется скорость приращения остасостточных РВ в ферментере У " . Сигналлы от датчика 10 концентрации остаточных РВ и задатчика 13 концентрации остаточных РВ вычитаются в сумматоре 12, на выходе которого появляется сигнал, пропорциональный разности входных сигналов:(7)где С, - заданная концентрация остаточных РВ.Выходные сигналы от сумматора 12 и задатчика 15 суммарного расхода воды и сусла перемножаются в блоке 16 умножения, в результате чего определяют изменение скорости уноса остаточных РВ сдрожжевой суспензией Яс+ Рв) остВ результате сложения сигналов ог блоков 14 и 16 умножения в блоке 17 рассчитывается изменение скорости потребления РВ биомассой микроорганизмов в соответствии с уравнением (4). Выходные сигналы от блока 17 и датчика 18 концентрации РВ в сусле поступают на вход блока 19 определения расхода сусла, в кото ром это изменение определяется по выражению (6), С помощью задатчика 22 рас хода РВ в ферментер задается требуемый расход РВ, который бы обеспечил необходимую производительность ферментера. Так как расход РВ брв определяется как произведение расхода сусла на концентрацию РВ в нем, то в блоке 20 определе. ния расхода сусла рассчитывают необходимый расход сусла, который обеспечил бы требуемый расход РВ при данной концентрации РВ в сусле: 66 рвсЕсли изменяется концентрация РВ в сусле, пзмеренная датчиком 18, то соответственно изменится расход сусла таким образом, чтобы значение 6 рподдерживалось постоянным. За счет введения задатчика 22 расхода РВ и блока 20 определения 10 расхода сусла устраняется возмущение напроцесс по изменению концентрации РВ в сусле. В блоке 21 корректировки расхода сусла уточняется значение расхода сусла путем алгебраического суммирования сиг налов от блока 20 определения расходасусла и блока 19 определения изменения расхода сусла. Сигнал с выхода блока 21 поступает в линию задания регулятора 5 расхода сусла. Если сигнал от датчика 4 20 расхода сусла отличается от заданного,определенного в блоке 21, то регулятор 5 перемещением исполнительного устройства 6 приводит расход сусла в соответствии с заданным.25 При изменениях расхода сусла расходводы должен изменяться таким образом, чтобы суммарный расход воды и сусла в ферментер оставался на заданном уровне, для предотвращения дополнительных воз- ЗО мущений на процесс по изменению коэффициента разбавления. Заданное значение суммарного расхода воды и сусла устанавливается с помощью задатчпка 15. ребуемый расход воды в ферментер рассчнтываз 5 ют в блоке 23 определения расхода водыкак разность между сигналами от задагчика 15 и блока 21 корректировки расхода сусла. Сигнал с выхода блока 23 поступает в линию задания регулятора 8 40 расхода воды, где сравнивается с действительным расходом, измеренным датчиком 7. Если действительный расход воды отличается от заданного, регулятор 8 воздействует на исполнительное устройство Э, 45 приводя расход в соответствие с заданным.Таким образом, предложенная системаавтоматического управления поддерживае г на заданном уровне концентрацию оста точных РВ, расход РВ в ферментер, суммарный расход воды п сусла н объем среды в ферментере. Введение сигнала по скорости изменения концентрации остаточных РВ позволяет в значительной мере 55 уменьшить инерционность канала регулирования этого параметра, за счет чего бу.дет более точно поддерживаться заданное значение концентрации остаточных РВ, Кроме того, определение изменения скоро.60 сти потребления РВ биомассой микроорганизмов позволяет точнее регулировать необходимое изменение притока РВ в аппарат. Поддержание заданного значения концентрации остаточных РВ и необходи мого расхода сусла, соответствующего потЗ 5 реблению РВ микроорганизмами, приводит к повышению выхода дрожжей ца 2 - 3%. Для завода производительностью 00000 г кормовых дрожжей в год это должно обес печивать дополнительный выпуск не менее 1200 т дрожжей в год. Формула изобретения 1. Способ автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, предусматривающий измерение расхода сусла, поступаюп,его в ферментер, концентрации РВ в сусле и остаточных РВ в дрожжевой суспецзии, регулирование расхода воды и сусла, поступающих в ферментер, и объема среды в фермецтере, отличающийся тем, что, с целью стабилизации концентрации остаточных РВ в дрожжевой суспецзии и повышения тем самым выхода мпкроорганизмо, определяют скорость изменения концентрации остаточных РВ в дрожгкевой суспензии и изменение скорости потребления РВ культурой микроорганизмов, а регулирование расхода воды и сусла осуществляют с учетом скорости изменения концентрации остаточных РВ в дрожжевой суспецзии и изменения скорости потреблс ция РВ культурой микроорганизмов,2. Система автоматического уцравле. ния для осуществления способа, содержащая контуры регулирования объема среды в ферментере и подачи воды и сусла в ферментер, датчики концентрации РВ в 5 1 О ЮО 25 зо сусле и дрожжевой суспензци, два блока умножения и блок определения расхода. воды, соединенный с регуляторами контуров регулирования подачи воды и сусла в фсрментер, отличающаяся тем,чтоона снабжена задатчцками суммарного расхода воды и сусла, расхода РВ и концентрации остаточных РВ в суспецзиц, корректирующим блоком, блоком определения изменения скорости потребления РВ и блоком дифференцирования, выход которого через первый вход блока умножения связан с одним цз вколов блока изменения скорости потребления РВ, другой вход последнего через второц блок умножения одноременцо подключен и задатчику суммарного расхода воды и сусла, сумматору ц блоку определения расхода воды, а выход сго прц помощи блока определения изменения расхода сусла соединен с од" ццм цз кодокорректирующего блока, торой вход которого подключен к задат 1 гасхода РВ ц датчику концепт 1 гации РВ, прц этом выход корректирующего блока соединен с блоком определения расхода воды, причем второй вход первого бло ка умножения связан с датчиком объема, а сумматор подключен к задатчику и датчику концентрации остаточных 1 гР. 11 сточнпки информации,принятыс во вццмацис цри экспертизе1. Лвторскос свидетельство СССРпо заявке2550480/13, кл. С 12 3 1/08,1977 (прототип),810802 Составитель Г. Богачева Текред О, Павлова Редактор С. Титова Ь;орректор О, Тюрина Изд,234 Тпраьк 530ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Зак,аз 2146 Подписное Загорская типография Упрполиграфиздата Мособлисполкома