Система автоматического управленияпериодическим процессом микро-биологического синтеза

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советски кСоциалистическихРеспубликаа делам изабретений и открытий(72) Авторы изобретения озненское научно-производственное объ Промавтоматика итель.л АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯРОЦЕС СОМ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГОСИНТЕЗА ЕМ(54) СИПЕРИОДИЧЕС Изобретение относится к области автоматического управления периодическими процессами выращивания микроорганизмов в производствах микробиологической и химико-фармацевтической промышленности.Известно устройство для контроля концентрации продуктов биосинтеза в периодических процессах выращивания микроорганизмов, содержащее пробоотборник, измеритель и блок сравнения текушего значения концентрации с предыдущим, а также импульсатором, повторитель со сдвигом и ячей ку задержки сигнала на такт, в котором один из разнополярных входов блока сравнения подключен к измерителю, а другой соединен с измерителем посредством повторителя со сдвигом и ячейки задержки сигнала на такт 1 .Недостатком известного устройства является то, что определение момента замедления процесса микробиологического синтеза не соответствует моменту оптимального окончания периодического процесса для своевременного отключения аппарата, что приводит к увеличению текущих энергозатрат, Кроме того, использование известного устройства в системе автоматического уравления процессом микробиологического синтеза не обеспечивает условия реализации оптимальных профилей регулируемых параметров, что в конечном итоге не обеспечивает максимального выхода целевого продукта.Наиболее близкой по технической сушности к предложенной является система управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов, содержащая контуры стабилизации температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате, включаюшие соответственно датчик измеряемого параметра, например рН, регулятор и исполнительный механизм, а также снабженная блоком отработки управляющих воздействий и блоком реализации адаптивной модели, служащим для определения разности расчетного и текущего значений концентрации микроорганизмов, при этом на входе блока реализации адаптивной модели подключены датчики измеряемых параметров, а выход подключен к задающим входам регуляторов при помощи блока отработки управляющих воздействий 2) .Недостаток данной системы заключается в отсутствии высокоэффективного управления процессом на основе использования оп819800 тимальных профилей температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате. Кроме того, фиксация момента окончания периодического процесса микробиологического синтеза только по достижению концентрацией микроорганизмов максимального значения, 5 как это осуществляется в известной системе, не соответствует оптимальной продолжительности процесса, что приводит к низкому выходу целевого продукта и высоким текущим энергозатратам на ведение процесса.Целью данного изобретения является по 1 О вышение выхода целевого продукта и снижение текуших энергозатрат.Поставленная цель достигается тем, что система снабжена контурами определения оптимальной продолжительности процесса и контроля скорости протекания процесса, при этом контур определения оптимальной продолжительности процесса включает вычислительный блок для определения отношения текущего значения концентрации микроорганизмов к длительности процесса и ло гический блок, а контур контроля скорости протекания процесса содержит взаимосвязанные блоки дифференцирования, запоминания максимума, деления и пороговый элемент, последний соединен через блок воспроизведения текущей длительности процесса с вычислительным блоком, а вычислительный блок и дифференциатор подключены к датчику концентрации, причем логический блок через командный блок связан с задающими входами регуляторов температуры, зо аэрации и кислотности.Кроме того, контуры стабилизации температуры, аэрации и кислотности среды снабжены блоками задания оптимального профиля измеряемого параметра, связанными через переключающие реле с задающими входами регуляторов. 40 Система автоматического управления периодическим процессом микробиологического синтеза микроорганизмов работает следующим образом 50 55 На чертеже представлена блок-схема предложенной системы автоматического управления периодическим процессом микробиологического синтеза.Система содержит контур определения оптимальной продолжительности процесса, командный блок, контур контроля скорости протекания процесса, контуры стабилизации,температуры, аэрации, кислотности средыи давления в ферментере 1. Контур определения оптимальной продолжительности процесса включает датчик 2 концентрации, вычислительный блок 3, блок 4 запоминания, блок 5 сравнения, логический блок 6, связанный с командным блоком 7.Вход последнего подключен к выходу логического блока 6, а выход подключен ко входам переключающих реле 8 - 10, к другим входам которых подключены блоки 11 - 13 задания оптимального профиля (температуры 11, аэрации 12 и кислотности среды 13),в ферментере 1. Контур контроля скорости протекания процесса включает дифференциатор 14 г связанный с датчиком 2 концентрации микроорганизмов и соединенный с блоком 15 запоминания максимума, который подключен к блоку 16 деления, соединенного также с дифференциатором 14 и пороговым элементом 17, выход которого подключен ко входу блока 18 воспроизведения текущей длительности процесса, связанного с вычислительным блоком 3.Контур стабилизации температуры включает датчик 19 температуры, выход которого подключен к переменному входу регулятора 20, к задающему входу которого подключен выход блока 11 задания оптимального профиля температуры в аппарате посредством переключающего реле 8, выход регулятора 20 связан с исполнительным механизмом 21, установленным на линии подачи охлаждающей воды.Контур стабилизации аэрации состоит из датчика 22, подключенного к переменному входу регулятора 23, к задающему входу которого подключен выход блока 13 задания оптимального профиля подачи воздуха на аэрацию посредством переключающего реле 9, выход регулятора 23 связан с исполнительным механизмом 24, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию.Контур стабилизации кислотности среды в аппарате включает датчик 25 рН-метра, подключенный к переменному входу регулятора 26, к задающему входу которого подключен выход блока 13 задания оптимального профиля кислотности среды в аппарате посредством переключающего реле 10, а выход регулятора 26 соединен с исполнительным механизмом 27, установленным на линии подачи в ферментер 1 титранта, регулирующей кислотность культуральной жидкости.Контур стабилизации давления в ферментере 1 содержит датчик 28, подключенный к переменному входу регулятора 29, к задающему входу которого подключен выход командного блока 7, а выход регулятора связан с исполнительным механизмом 30, установленным на линии отходящих из ферментера газов, К задающим входам регуляторов 20, 23, 26 подключен выход командного блока 7 при помощи переключающих реле 8 - 10 соответственно. Периодический процесс выращивания микроорганизмов является многофазным, В каждой фазе физиологического развития микроорганизмов протекание комплекса процессов в клетке зависит от задаваемых значений основных параметров процесса: температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате, каждый из которых на различных фазах имеет свое оптимальное значение.В силу этого поддержание указанных параметров на постоянном уровне на всем протяжении процесса биосинтеза не обеспечивает оптимальных условий, определяющих развитие микроорганизмов и протекание комплекса внутриклеточных процессов в желательном направлении.В предлагаемом способе с помощью блока задания оптимального профиля параметра перед выращиванием задают оптимальные профили изменения температуры, аэрации и кислотности среды в аппарате в процессе биосинтеза, Измерение текущего значения соответствующего параметра осуществляется с помощью датчиков 19, 22, 25. Сигнал с выхода датчиков 19, 22, 25 поступает на регуляторы 20, 23, 26, где сравнивается с заданным значением, которое формируется с помощью блока задания оптимального для данного момента времени значения соответствующего параметра. Воз никающий при этом сигнал рассогласования по каждому параметру вызывает соответствующее изменение сигнала на выходе регуляторов 20, 23, 26, устанавливающих с помощью исполнительных механизмов 21 2425 27 значения температуры, расхода воздуха и кислотности, соответствующие оптимальным условиям протекания процесса микробиологического синтеза. В связи с этим подачей хладагента, воздуха, среды, регулирующей кислотность культуральной жид-, З 0 кости, осуществляют воспроизведение оптимального профиля указанных основных технологических параметров процесса: температуры, аэрации и рН в течение всего цикла работы ферментера, осуществляя изменение управляющего воздействия при откло- З 5 нении параметра управления от задаваемого оптимального уровня таким образом, чтобы минимизировать разность текущего и задаваемого значения параметра.В периодическом процессе в связи с. накоплением продуктов обмена, тормозящих40 дальнейшее развитие культуры, а также в связи с уменьшением количества питательных веществ, скорость процесса начинает снижаться и в конце процесса становится близкой к нулю, хотя концентрация целево го продукта еще не достигает максимального значения. В связи с невысокой скоростью процесса достижение максимальной концентрации выходного целевого продукта становится нецелесообразным, приводит к увеличению продолжительности процесса и не 50 соответствует моменту оптимального окончания процесса, поскольку с увеличением продолжительности процесса также увели.: чиваются и текущие затраты. Максимальная производительность в периодическом процессе, т. е. концентрация целевого продукта,55 деленная на время ферментации, достигается до получения максимальной концентрации, а именно на участке процесса микробиологического синтеза, протекающего с убчвающей скоростью. Этот участок можно охарактеризовать отношением текущего значения скорости изменения концентрации микроорганизмов в период ее снижения к максимальному значению скорости изменения концентрации перед снижением. Достижение этим отношением заданного значения является условием включения в работу блока 18 воспроизведения текущей длительности процесса, позволяющим с этого момента про. изводить вычисление отношения текущей концентрации микроорганизмов к длительности процесса микробиологического синтеза.Если концентрация микроорганизмов в культуральной жидкости растет, то сигнал от датчика 2 концентрации увеличивается и поступает на вычислительный блок 3, на другой вход которого поступает сигнал с блока 18 воспроизведения текущей длительности процесса.При увеличении концентрации микроорганизмов до наступления максимальной скорости роста командный сигнал на включение блока 18, поступающий с выхода порогового элемента 17, равен нулю. Сигнал на выходе блока 18 также равен нулю, При этом на выходе командного блока 7 сигнал отсутствует и переключающие реле 8 - 10 продолжают коммутировать выходной сигнал блоков задания оптимального профиля 11 - 13 на задающие входы соответствующих регуляторов 20, 23, 26, а регулятор 29 при этом осуществляет с помощью исполнительного механизма 30 стабилизацию давления в ферментере 1. Процесс накопления продуктов биосинтеза продолжается. Если предыдущее значение скорости изменения концентрации микроорганизмов окажется больше текущего значения скорости, определяемого с помощью дифференциатора 14, то на блоке 15 запоминается максимальное значение скорости и на его выходе появляется сигнал, соответствующий максимуму скорости. С этого момента блок 16 начинает определять отношение текущего значения скорости в период снижения к максимальному значению скорости перед снижением. При равенстве значения определяемого отношения заданному значению, установленному на пороговом элементе 17, на его выходе возникает дискретный сигнал 1, поступающий на вход блока 18, который при этом формирует сигнал, пропорциональный текущей длительности процесса. Преобразованный сигнал, пропорциональный текущей длительности процесса, поступает на вход вычислительного блока 3, куда также поступает сигнал, пропорциональный концентрации микроорганизмов с выхода датчика 2. Сигнал, пропорциональный отношению текущего значения концентрации микроорганизмов к текущей длительности процесса с выхода блока 3, поступает на вход блока 4 запомина8198008Использование предлагаемой системыавтоматического управления периодическим процессом микробиологического синтеза позволит увеличить выход целевого продукта и снизить энергозатраты на ведение процесса. Формула изобретения ния, где запоминается и на вход блока 5 сравнения, где сравнивается с результатом предыдущего значения отношения, вычисленного при измеренной концентрации в иной момент времени процесса, Если теку шее значение отношения концентрации микроорганизмов к длительности процесса больше предыдущего, то на выходе блока 5 сравнения возникает сигнал О, При этом логический блок 6 делает вывод о несоответствии длительности процесса моменту оптимального окончания его. Сигнал на вы. о ходе командного блока 7 равен нулю и сигнал на переключающие реле 8 - 10 не поступает. Последние продолжают коммутацию выходного сигнала блоков 11 - 13 на задающие входы регуляторов, которые с по мощью исполнительных механизмов 21, 24, 27 осуществляют поддержание температуры, аэрации и кислотности среды в ферментере 1 на оптимальном уровне.Когда же предыдущее значение отношения окажется равным или больше теку щего значения отношения концентрации микроорганизмов к длительности процесса, на выходе блока 5 сравнения возникает дискретный сигнал 1, поступающий на вход логического блока 6, который делает вывод о достижении максимума вычисленного отношения концентрации микроорганизмов к длительности процесса, Выходной сигнал логического блока 6 в этом случае поступает на вход командного блока 7, который при этом дает команду на переключение реле 8 - 10, которые в этом случае прекращают коммутацию сигнала с выхода блоков 11 в 13 на задающие входы регуляторов 20, 23, 26 и осуществляют коммутацию такого задания регуляторам 20, 23, 29 с выхода командного блока 7, чтобы исполнительные меха низмы 21, 24, 27, 30 установились в положения, соответствующие окончанию процесса. Например, с помойью исполнительного механизма 21 прекра)цается подача охлаждаюшей воды, с помощью исполнительного механизма 24 прекращается подача воздуха на аэрацию, с помощью исполнительного механизма 27 прекращается подача среды, регулируюшей кислотность культуральной жидкости в ферментере 1, а с помошью исполнительного механизма 30 осушествляет ся блокировка аппарата от окружающей среды,1. Система автоматического управления периодическим процессом микробиологического синтеза, содержащая датчика концентрации микроорганизмов, блок сравнения, блок запоминания и контуры стабилизации температуры, аэрации, давления и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик измеряемого параметра, регулятор и исполнительный механизм, отличающаяся тем, что, с целью повышения выхода целевого продукта и снижения текуших энергозатрат, она снабжена контурами определения оптимальной продолжительности процесса и контроля скорости протекания процесса, при этом контур определения оптимальной продолжительности процесса включает вычислительный блок для определения отношения текушего значения концентрации микроорганизмов к длительности процесса и логический блок, а контур контроля скорости протекания процесса содержит взаимосвязанные блоки дифференцирования, запоминания максимума, деления и пороговый элемент, последний соединен через блок воспроизведения текущей длительности процесса с вычислительным блоком, а вычислительный блок и дифференциатор подключены к датчику концентрации, причем логический блок через командный блок связан с задаюшими входами регуляторов температуры, аэрации и кислотности.2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контуры стабилизации температуры, аэрации и кислотности среды снабжены блоками задания оптимального профиля измеряемого параметра, связанными через переключающие реле с задаюшими входами регуляторов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Мо 467099, кл. С 12 В 1/00, 1975.2, Авторское свидетельство СССР Мо 488847, кл. С 12 В 1/08, 1972.емч нов НИИПИ Госудапо делам и35, Москва, ЖППП Патент 113 лиалСоставитель В. ЛубенцовТехред А. Бойкас КорректоТираж 940 Подписнорственного комитета СССРобретений и открытий- 35, Раушская наб., д. 4/5г. Ужгород, ул. Проектная, 4