Система автоматического управления полунепрерывным процессом культивирования микроорганизмов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветсиикСоциапист ическиеРеспублик и 905800(61) Дополнйтельное к авт. сви 51)М. Кл. 21) 2899716/28-1 22)Заяв о 27. 05 О 27/ ением заявк присо вй кемнте 23)Прнорит СССР в делам изобретений в открытий(088.8) уб опубликования описания 15,02,82 72) Авторы изобретен Левишаускас, Ю.-К.Ю.и В.В. Лало нишкис, А.Ю, Вин унасский политехнически Всесоюзный научно-иссле нститут им. Ан анательский инстнтувеществ еч са б( 1 Ваявител лк овь 54) СИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУНЕПРЕР 11 ВЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ М 11 КРООРГАН 113 МОВ Иэобогни и сом. Кроме того, система не обесп чивяет по руюшую ус торые мог птимальнь одукта. Наибол лизким техничес шением к предлагаемому являет система управления периодичес и о ессом биосинтеза мик оо г р ц р р аниз0мов, содержащая контур регулирования рН среды с датчиком рП,анализатор концентраций микроорганиз фмов, субстрата и целевого продукта,исполнительные механизмы, установ 1ленные на линиях подачи титрующегоагента и субстрата, и управляющееустройство с блоком реализации адаптивной модели, связанное с анализатором концентраций и датчиком рН 23Недостатком известной системыявляется то, что в ней отсутствуетконтур управления подачей субстратав зависимости от объема среды и ыход ельными механачи субстратаНедостаткомвляется то, ч ямам а линиях по 11.указа овн нои системый отсутствуетассой среды в система слеженияферментере, чтоуправление полун особ нпо затрудняе ывным процесепр ретение относится к биотехнол может быть использовано для автоматического управления полунепрерывным процессом микробиологического синтеза.Известна система автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, содержащая датчики расхода воздуха и концентраций кислорода, установленные на линииоподачи воздуха в аппарат и линии отработанных газов, блок определения потребляемого кислорода, программный блок и компаратор, вход которого,соединен с блоком определения потребляемого кислорода и программным блоком, а в с исполнидачу субстрата, оптимизиловия роста биомассы,коут отличаться от условий,х для биосинтеза целевогок:пцентрации в ней целевого 1:,.одукта, что не обеспечивает достижениемаксимального выхода от субстратацелевого продукта,Целью изобретения является повышение выхода целевого продукта приполунепрерывном культивированиимикроорганизмов.Поставленная цель достигаетсятем, что система автоматического 1 Оуправления полуиепрерывным процессом культивирования микроорганизмов,содержащая контур регулирования рНсреды с датчиком рН, анализатор концентраций микроорганизмов, субстрата 15и целевого продукта, исполнительныемеханизмы, установленные на линияхподачи титрующего агента и субстрата,и управляющее устройство с блокомреализации адаптивной модели, свя Озанное с анализатором концентрацийи датчиком рН снабжена тенэометрическим устройством, блоком согласования и коммутирующими устройствами,при этом выход тензометрического 25устройства соединен с блоком реализации адаптивной модели, а выходпоследнего подключен через блок коррекции к блоку согласования и коммутирующим устройствам, соединенным З 12с соответствующими исполнительнымимеханизмами, установленными на линияхподачи титрующего агента и субстрата.На чертеже показана блок-схемапредлагаемой системы управления,Система содержит контур стабилизации рН среды в ферментере 1,состоящий из датчика 4 рН, соединенногос регулятором 3, выход которого связан через коммутирующее устройство11 с исполнительным механизмом 12,установленным на линии подачи титрующего агента, контурпериодическойкоррекции уровня концентрации подйитывающего субстрата в ферментацион 45ной среде, состоящий иэ анализатора .6 концентраций биомассы, субстратаи целевого продукта, тензометрического устройства 5, соединенных сблоком 7 реализации адаптивной модели управляющего устройства 2,50а.выход блока 7 подключен к блоку 9коррекции, выходы которого соединены с блоком согласования 8 и.черезкоммутирующие устройства 11 и 10с исполнительными механизмами 12 и13, установленными на линиях подачититрующего агента и субстрата соответственно, контур поддержания концектрапии подпитываюшего субстратав ферментационной среде, состоящийиэ датчика 4 рН, соединенного с блоком согласования 8, выход которогосвязан через коммутирующее устройство 1 О с исполнительным механизмом13, установленным на линии подачиподпитывающего субстрата.С. целью повышения выхода целевогопродукта, концентрацию компонентовпитательной среды, по которым ве- фдется подпитка, поддерживают на уровне, оптимальном для биосинтеза целевых продуктов, например, концентрациюглюкозы в процессе биосинтеза амилолитических ферментов, При этомоптимальный уровень концентрацииподпитывающего субстрата в ферменте.ре может меняться в течение процесса биосинтеза в связи с переменнымиусловиями развития культуры. В тоже время скорость изменения рН среды в ферментере характеризует скорость роста микроорганизмов и соответственно потребления питательногосубстрата,Система автоматического управления работает следующим образом,рН ферментационнвй среды поддерживается на заданном уровне с помощью контура стабилизации рН среды, включающего датчик 4, подключенный на вход регулятора 3, который после сравнения текущего и заданного значения рН подает управляющий сигнал через коммутирующееустройство 11 на исполнительный механизм 12, установленный на линииподачи титрующего агента. Управление скоростью подачи субстрара проводится по двум контурам управления:по контуру периодической коррекцииуровня концентрации подпитывающегосубстрата в ферментере, использующего управляющий сигнал от блокапериодической коррекции 9 управляющего устройства 2, и по контуруподдерживания концентрации подпитывающего субстрата в ферментере наоптимальном уровне между моментамикоррекции, использующего сигнал датчика 4 рН, который отслеживает отклонение значения рН от заданного врегуляторе рН, характеризующеескорость окисления Ферментацноннойсреды и скорость потребления субстрата микроорганизмами.Переключение контуров осуществляется коммутирующим устройством 10,5 905800 а выход которо"о соединен с исполни- тивной модели 7 поступает на блок тельным механизмом 13, управляющим периодической коррекции 9, который скоростью подачи подпитывающего суб- вырабатывает корректирующие сигналы страта. Управляющий сигнал от блока для приведения концентрации субстрата 9 в момент коррекции в сторону уве- у в ферментере на оптимальный уровень личенив концентрации подпитывающего и для коррекции посредством блока субстрата в ферментере также посту- согласования 8 коэффициента усилепает через коммутирующее устройст- ния контура поддержания концентрации во 11 на исполнительный механизм субстрата на оптимальном уровне. 2, управляющий скоростью подачи О Корректирующие сигналы на выходе титрующего агента, для одновремен- блока 9 поступают на блок согласованой подачи соответственного коли- ния 8 и через коммутирующие устройстчества титрующего агента в фермен- ва 10 и 11 на исполнительные мехатер в случае, если рН подпитываю- ниэмы 13 и 12, установленные на лищего субстрата и рН среды в Ьермен ниях подачи подпнтывающего субстрата тере не совпадают, Коррекция в и титрующего агента соответственно. сторону уменьшения концентрации суб- После коррекции управляющее устстрата осуществляется перекрытием ройство 2 переключает через коммути" линии подачи питательного субстрата рующее устройство 10 вход исполни- посредством исполнительного механиэ р тельного механизма 13 на линии подама 13 на промежуток времени, опреде- чи субстрата к выходу блока соглаленный в блоке периодической коррек- сования 8 и через коммутирующее ции 9. устройство 11 вход исполнительногоВ целом управление полупериоди" механизма 12 на линии подачи титческим процессом реализуется следую рующего агента к выходу регулятора щим образом. рН 3. Управление скоростью подачиВ 4 ерментере 1 осуществляется подпитывающего субстрата и титрующепроцесс полунепрерывного культиви- го агента при этом осуществляется рования микроорганизмов. Сигналы ана- при отключенном блоке коррекции 9 лизатора 6 концентраций биомассы, Зф до следующего момента поступления субстрата и целевого продукта и тен- сигналов от анализатора концентраций зометрического устройства 5, отсле и тензометрического устройства 5 на живающего изменение массы среды в управляющее устройство 2. ферментере 1 с учетом поступающих В таблице приведены сравнительные( туда доливок, поступают на блок результаты известной системы полуреалйэацни адаптивной модели 7, в непрерывного выращивания Вас. эцЬй 111 ф котором проводится оценка состояния .для получения 3, -амилаэы и предлапроцесса биосинтеза цо заданной гаемой системы автоматического уппрограмме. Информация из блока адап- равления Показатели и условия процессаСистема Ф эвестная предлагае- мая Начальный объем ментационной ср ереды и,8 Конечный объем ментационной с,5 ачальиая концентрация глюкозы осахареного крахмала в ферменере, кг/м Концентрация глюкозыосахаренного крахмалав подпитывающем растворе кг/м 5905800 оцесса,оС 37-3 37 - 3 емпература 6.,3-6,6,рН средыКонцентрация озы в среде в пе питки, кг/м д Переменкав зависимости от состоянияферментационнойсреды: объема, коцентрациибиомассы,глюкозы,фермента 7 187,8 боты предлапо результаерментацийс. зиЬй 111 зь устойчиво а емоиам А -ам по веказывает возм дения процесс фермента в ср нию с выходом нос вышения выход на 57 по срав рограммном уп и еднемпри авлен Формул обретения Источники и ормации, при экспертиз тельство СССР 1/08, 1978. тельство СССР /08, 1976,инятые во 1. Авторс 619504, кл 2. Авторс 488847, климани ое свид С 12 В ое сви С 12Конечный выход фермента, ед.активности Моделирование ра системы управления экспериментальных ф лазы продуцентом Ва Система автоматического управления полунепрерывным процессом культивирования микроорганизмов,седержащая контур регулирования рН среды с датчиком рН, анализатор концентраций микроорганизмов,субстрата и целевого продукта, исполнительные механизмы, установленные на линиях подачи титрующего агента и субстрата, и управляющее устройство с блоком реализации ада Продолжение таблицы тивной модели, связанное с анализатором концентраций и датчиком рН,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что,с целью повышения выхода целевогопродукта, она снабжена тензометрическим устройством, блоком согласования и коммутирующими устройствампри этом выход тензометрическогоустройства соединен с блоком реализации адаптивной модели, а выходпоследнего подключен через блоккоррекции к блоку согласованйя икоммутирующим устройствам, соединенным с соответствующими исполнительными механизмами, установленными на линиях подачи титрующего агента и субстрата.905800 Заказ 364/64 Тираж 907 Подписное ВН 1 П 1 ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, И, Раушская наб., д. 4/5