Система автоматического управления периодическим процессом ферментации

союз соаетснихСОЦИАЛИСТИЦЕСНИХРЕСПУБЛИХ 09) (И) з(5 ц С 12 3/00 ГосудАРст 8 енный хомитет сссРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1, Авторское свидетельство СССРФ 819800кл. С 05 Р 27/00, 1981.2. Федосеев К,Г, Физические основы и аппаратура микробного синтезабиологически активных соединений.М., 1977, с, 222-223.(54)(57) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГОУПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМФЕРМЕНТАЦИИ, содержащая контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию,давления и температуры в аппарате,включающие соответственно датчикиизмеряемых параметров, регуляторыи исполнительные механизмы, н контуррегулирования величины рН, включающий датчик и блок задания оптимальной величины рН в аппарате, выходыкоторых подсоединены к соответствующим входам первого сумматора, выходкоторого подключен к входу релейногоблока, последовательно соединенные датчик и обратную модель канала управления без запаздывания, а также переключающее реле, выход которого связан с исполнительными механизмами, установленными на линии подачи в аппарат щелочи и кислоты, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью уве-, личения выхода целевого продукта путем повышения качества управления, она снабжена блоком управления, вторым сумматором и последовательно соединенными третьим сумматором, ключевым элементом и регулятором, при этом входы третьего сумматора соединены с выходами первого сумматора и обратной модели, выходы релей-ного блока и регулятора, подключены соответственно к первому и второму входам переключающего реле, выход которого связан с первым входом второго сумматора, к второму входу ф которого подключен выход обратной модели, один из входов блока управления соединен с входом первого сумматора, другой вход - с выходом второго сумматора, а выход подключен к управляющему входу переключающего реле и второму входу ключевого элемента.М11 О 28Изобретение относится к микробиологии, а именна к автоматическому управлению процессами ферментации при производстве антибиотиков и может быть использовано в медицинской, пищевой и других отраслях промышленности.Известия система автоматического управления процессом микробиологического синтеза, содержащая датчики и блоки задания оптимального проФиля температуры, аэрации и кислотцости среды в аппарате, связанные через переключающие реле с задающими входами соответствующих регуляторов, выходы Которых подклточецы к исполнитеттьным механизмам, установленным соответственно ця линии подачи охлаждающей воды, подачи яэрирующего воздуха и титрянта, регулирующего величину рН в аппарате 1"1.20Недостатком данной системы яв.пяется невысокое качество управления процессом по величине рН, обусловленное тем, что т 1 тормиравяттие управляющего воздействия ца подачу титранта 25 при помощи регулятора, це учитывающег го изменений динамических характеристик в ходе процесса, не обеспе тивает оптимальных условий культивирования, в результате чего происходит снижение выхода целевого продукта,Наиболее близкой к предлаяемойявляется система автоматического управления периодическим процессомферментации, содержащая контуры ста 35билизации расхода воздуха ца яэрацию,давление и температуры в аппарат,вклточающие соответственно датчикиизмеряемых параметров, регуляторыи исполнительные механизмы, и контур регулирования величины рН, включающий датчик и блок задания оптимальной величины рН в яттттаряте, выходы которых подсоединены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого подключен к выходу релейного блока, цаследагательно соединенные датчик и обратную модель канала управ.тения без запаздывания, я также ттеретгттточатотцее реле, выход тоторо 50 го соединен с исполните.я механизмами, устяттоттлеттттт тлти ца линииподачи в атитарат щелочи и кислотыт 21.Однако качество регупиравания рНс помощью известной системы цевысакое, паскольтсу продолжительность55 дозы кислоты или щелочи, подаваемой в аппарат, яттляется постоянной при любом отклоттецип пелтттицы рН от зядацттого значения, тто ттриттодттт к пе - ридаэиравке тнтрацтя ц случе цебопьших отклонений ве;тичитттт р 11 от зада - ния, в то время кяк при изменении свойств культуряльцой жидкости иходе процесса и при уменьшеттии отклонений по рН ттраттоттжтттсльттасть,;тозьттитрацта также должн корректироваться, При значительцам изменениихарактеристик периодттческаго процесса Ферлтетттацтти ттередозцравк тптрацта оказывается существеццой и приводит к длитеттытттм откланеттиял рН да заданного зцчения, что приводит ц конечном итоге к сцижецию выхода целевого продукта. Целе из абра те ттттл утряслит аттис вт 17- хода целевого продукт путем ттотттттяе -ния качеств упрявт.ения. 11 астаттттеттттяя цель даститется тем,что системацтоматическога уттргтттления периодическим проттессом;1 тс.балте тттации, содержащая контуры стбилизяции расхода воздух ца ярряцию, давления и температуры тт аппарате, вт тючатощие соответственно дтяпки измеряемых параметров, регуляторы и исполнительные мехаттттзлтт,:, и контур рет улиравяния величины рН, включатоший дтчик и блок зядаттия оп гимальцой величины рН в аппарте, выходы которых подсоединены к соответствутотцим вхадам первого сумматора, выхол которого подключен к входу релейного блок, паследавателт па сосдиценцые датчик и обратнуто модель канала управления без зяпяздьтваттття, я также переключающее реле, выход ксторото связц с исполнительными механизмами, устаттовленттьтлти на литтии подачи в аппарат щелочи и кислоты, снабжен блоком угтравлеция, вгарым сумматором и последовательно соединенными третьимсумматором, клточевым элементам и регулятором, при этом входы третьего сумматора соединены с выходами первого сумматора и обрятттатт модели, ьыходы релейного блока и регулятора гтодттточеттьт соответственна к первому и второму входам переключающего реле, выход которого связан с первым входом второго сумматора, к второму входу которого подключен выход обратной модели, один из входов блока управления соедииетт с входам пертзого сумматора, другой вход - с выходом второго сумматора, а выход подключен к управляющему входу переключаз 1102 ющего реле и второму входу ключевого элемента.На чертеже представлена блок-схема системы автоматического управления процессом ферментации.Система содержит контур стабили 5 зации температуры в аппарате 1. вклю" чающий датчик 2 температуры, подклю- ченный к входу регулятора 3, связанного с исполнительным механизмом 4,1 О установленным н а линии подачи охлаждающей воды. Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию содержит датчик 5 расхода воздуха, подключенный к входу регулятора 6, связанного с15 исполнительным механизмом 7, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию. Контур стабилизации давления в аппарате содержит датчик 8, подключенный к входу регулятора 9, связанного с исполнительным механиз 20 мом 10, установленным на линии отходящих из аппаратов газов. Контур регулирования величины рН в аппарате содержит последовательно соединенные25 датчик 11 рН, первый сумматор 12, связанный с блоком 13 задания оптимального профиля регулирования рН, третий сумматор 14, ключевой элемент 15, регулятор 16, переключающее реле 17; второй вход которого подключен к выходу релейного блока 18, соединенного с выходом первого сумматора 12, последовательно соединенные обратную модель 19 канала управления подключенную к датчику, 11, второй 35 сумматор 20 и блок 21 управления, вторые входы которых подключены соответственно к выходам переключающего реле 17 и первого сумматора 12. Вы- ход переключающего реле 17 связан Ь 0 с исполнительным механизмам 22 и 23, установленными соответственно на линии подачи щелочи либо кислоты в аппарат 1.Система автоматического управле ния работает следующим образом.При отключении величины рН, измеряемой датчиком 11, от заданного оптимального значения, на выходе первого сумматора 12. возникает рас согласование, поступающее на третий сумматор 14, входы релейного регулятора 18 и блока 21 управления. Сигнал с выхода датчика 11 поступает также на выход обратной модели 19, 55 значения параметров которой равны усредненным значениям параметров передаточной функции канала управле 813 Ьния процессом ферментации по величине рН. Сигнал с выхода обратной модели 19 поступает через второй сумматор 20 на вход блока 21 управления, где формируется результирующий сигнал, который сравнивается с заданным пороговым значением. При отклонении текущего значения результирующего сигнала от установленного порогового значения в блоке 21 управления Формируется командный сигнал, поступающий на управляющий вход переключающего реле 17 и на вход ключевого элемента 15, Если значение результирующего сигнала выше установ,ленного порогового значения, в блоке 21 управления формируется командный сигнал, обеСпечивающий посредством переключающего реле 17 подключение выходы релейного блока 18, формирующего управляющее воздействие в виде импульсов, постоянных по амплитуде У(С), = У, на входы исполнительных механизмов 22 и 23, В зависимости от знака отклонения рН от заданного значения с помощью исполнительного механизма 22 или 23 осуществляется подача дозы титранта, постоянной по амплитуде, в аппарат 1,. Одновременно сигнал с выхода переключающего реле 17 поступает на вход второго сумматора 20, где управляющее воздействие У(С) сравнивается с выходом обратной модели 19, передаточная функция которой аппроксимируется обратной передаточной функцией канала управления величиной рН. Поскольку обратная модель 19 включена последовательно с задатчиком 11 рН, то выходной сигнал обратной модели 19 тождественен входному сигналу. канала управления величиной рН, т.е, входному воздействию Б(С). При соответствии параметров передаточной функции обратной модели текущим параметрам передаточной функции канала управления величиной рН рассогласование между выходным сигналом переключающего реле, равным в данном случае П, и выходным сигналом обратной модели 19, равным при М(Р) = Ио(Р) величине входного воздействия Хц(С), так как в этом случаеХ И) = Ц,Ы (Р) У(Р) - Ц, где Ио (Р) - передаточная функцияобъекта;У (Р) - передаточная функцияобратной модели;5 1102отсутствует и сигнал на выходе вто-,рого сумматора 20 равен нулю, Приэтом в блоке 21 управления с величиной порогового значения сравниваетсятолько величина сигнала рассогласо 5вания между заданным и текущим значениями рН, поступающего на вход блока 21 управления с выхода первогосумматора 12. Вследствие воздействиярелейного блока 18 на подачу титранта (щелочи либо кислоты) с помощью исполнительного механизма 22 нли 23 происходит уменьшение величины отклонений рН от заданной, В этом случае рассогласование на выходе первого сумматора 12 уменьшается и при достижении заданной пороговой величины блок управления 21 выдает командный сигнал, поступающий на ключевой элемент 15, который осуществляет подключение выхо 20 да третьего сумматора 1 И на вход регулятора 16. Одновременно командный сигнал с выхода блока 21 управления поступает на управляющий вход переключающего реле 17, которшй при этом осуществляет коммутацию выходного сигнала аналогового регулятора 16 на вход исполнительного механизма 22 и 23. Если к этому моменту времени величи)на рН не достигла заданного значения, то выходной сигнал первого сумматора 12, не равный нулю, поступает на вход регулятора 16, который продолжает формировать воздействие через переключающее реле 17 на подачу титранта, Поскольку подключение регуля 35 тора 16 осуществляется вблизи устанав. ливающегося значения рН, то регулятор 16 обеспЬчивает доведение рН к заданному значению малыми дозами титран-, та. Это исключает передозировку титранта, а следовательно, исключается неблагоприятное влияние подаваемых растворов щелочи и кислоты на выход целевого продукта биосинтеза.По мере дальнейшего протекания периодического процесса ферментации реологические свойства культуральной жидкости изменяются, ухудшаются массообменные характеристики и качество гидродинамической обстановки в50 аппарате. В конечном итоге это приводит к тому, что динамические свойства канала регулирования величины рН ухудшаются, В этом случае для уменьшения длительности переходных процессов по каналу регулирования рН следует увеличить подачу титранта максимальной дозы. В предлагаемой 813системе это достигается за счет того, что при отклоненйи параметров передаточной функции канада регулирования рБ вследствие изменения свойств культуральной жидкости от параметров обратной модели рассогласование между выходным сигналом обМ Щратной модели 19 и выходным сигналом переключающего реле 17 не равно нулю,- Этот сигнал рассогласования с выхода второго сумматора 20 вместе с.сигналом рассогласования при отклонении рН от заданного значения с выхода первого сумматора 12 поступает на вход блока 21 управления, в котором полученный результирующий сигнал продолжает сравниваться с заданной величиной порогового значения, Нри превышении результирующиМ сигналом порогового значения блок 21 управления выдает командный сигнал, поступающий на переключающее реле 17, которое вновь коммутирует выходной сигнал релейного блока 18 на вход исполнительного механизма 22 или 23, обеспечивая подачу титранта в аппарат 1, При изменении динамических характеристик канала регулирования рН (напрнмер при отклонении текущего значения коэффициента усиления объек та по каналу регулирования величины рН от значения коэффициента в модели, например при уменьшении его) время достижения результирующим сигналом установленного порогового значения увеличивается, В этом случае сигнал с выхода блока 21 управления на переключение реле 17 не поступает н подача в аппарат 1 дозы максимальной величины продолжается, При достижении результирующим сигналом установленного порогового значения с выхода блока 21 управления поступает сигнал на ключевой элемент 15 и переключающее реле 17. В этом случае на вход регулятора 16 через третий сумматоро14 поступает сигнал рассогласования с выхода первого сумматора 12 и выходной сигнал обратной модели 19, обеспечивающий компенсацию инерционности канада регулирования величины рН, способствуя снижению длительности переходного процесса, а выход регулятора 16 коммутируется на соответствующий исполнительный механизма, с помощью которого осуществляется доведение величины рН до заданного значения. При отклонении текущего значения коэффициента усиления объек7 11028 , та по каналу регулирования рН в сторону увеличения его от значения, установленного в модели, результирующий сигнал, формируемый в блоке 21 управления, быстрее достигнет установленного .порогового значения. За счет этого продолжительность подачи дозы титранта максимальной амплитуды ограничена, а подключение регулятора 16 обеспечивает доведение рН до заданного значения без существенного пере- регулирования. Таким образом, в предлагаемой системе за счет коррекции продолжительности дозы титранта мак" симальной величины в зависимости от изменений коэффициента усиления. объек-. та, определяемых по величине рассогласования между выходным сигналом обратной модели 19 и сигналом входного воздействия на объект, поступающего с выхода переключающего реле 17, обеспечивается качественное регулиро" ванне величины рН в аппарате 1Стабилизация температуры в аппарате 1 осуществляется с помощью регуля13 8тора 3 и исполнительного механизма 4, воздействующего оа подачу охлаждающей воды,Стабилизация расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате осущест-. вцяется соответственно с помощью регуляторов 6 и 9 и исполнительных механизмов 7 и 10, воздействующих на подачу воздуха в аппарат и сброс отходящих газов.В результате реализации системы автоматического управления периодическим процессом ферментации путем повышения качества управления посредством дискретно непрерывного дозирования раствором щелочи и кислоты на разных этапах нестационарного процесса, исключающего неблагоприятное влияние избыточных доз щелочи и кислоты на выкод при биосинтеэе, увеличивается выход щелевого продукта на 3,5 Х.Экономический эффект составляет 7,6 тыс. руб. в год.1102813 Составитель Г, Богачеведактор Л. Пчелийская Техред Н, Кастелевич рректор.А. Ильин ака одписно Патент", г. Ужгород, ул. Проектн Филиал 05/16 Тираж ВНИИПИ Государственнпо делам изобретен 13035 у Москва, Ж,522го комитета СССий и открытийаушская наб., д