Способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов

(51 ЗОБРЕТЕНИЯ ПИСА ВИДЕТЕЛЬСТВУ д ВТОРСН ИЬ,сп,автомами выавливае и струк аправ- ддержа- биореееюп ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Бердский химический завод (72) В.П.Дараган, А.Д.Корнеев, Б.В.Прилепский и Ф,Н,Чегодаев (53) 663.11 (088.8)(56) Авторское свидетельство СССР В 700538, кл. С 12 М 1/36, 1978,Авторское свидетельство СССР 9 819800, кл. С 05 0 27/00, 1979. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИ РООРГАНИЗМОВ(57) Изобретение относится к тическому управлению процесса ращивания микроорганизмов и н лено на повышение точности по ния оптимальной температуры в акторе. В результате развития микроорганизмов в биореакто 1.е 1 увеличивается тепловыделение, измеряемое датчиком 2 интегрального теплового потока. В результате сравнения изме, ренного фактического значения скорости изменения теплового потока с пороговым (О, 1) значением схема автоматики вырабатывает корректирующий сигнал, пропорциональный интегральному количеству тепловыделений в биореакторе. Регулятор 11 подачи хладагента осуществляет коррекцию подачи хлад- агента в соответствии с данным сигналом и учетом морфологического и физиологического состояния выращивамых микроорганизмов, уст ого датчиком 9 количеств ы микроорганизмов. 5 иИзобретение относится к автоматическому управлению процессами выращивания микроорганизмов и может бытьиспользовано в производстве микробиологической, пищевой и медицинской 5промышленности,Целью изобретения является повышение точности поддержания оптимальной температуры в биореакторе.Сущность способа заключается втом, что подачу хладагента осуществляют при достижении скорости изменения теплового потока в процессевыращивания микроорганизмов порогового значения дВ/Йс0,1 в сравнении со среднестатистическим стандартным графиком кинетики теплового потока из биореактора, при этом коррек"цию подачи хладагента осуществляют всоответствии с величинами фактического значения теплового потока и мор-,Фологического и физиологического состояния выращиваемых клеток микроорганизмов.25На фиг, 1 приведена система, реализующая предлагаемый способ; нафиг. 2 и 3 - кривые кинетики тепловыделений при культивировании микроорганизмов, на фиг, 4 и 5 - кривые, от ражающие состояние культуры в процессе роста и развития.Система состоит из аппарата длявыращивания микроорганизмов - биореактора 1,датчика 2 теплового интегрального потока, блока 3, определяющего величину тепловыделения вбиореакторе 1, блока 4 дифференцирования, определяющего фактическую скорость изменения теплового потока в 40процессе выращивания микроорганизмовс 1 В- факт., порогового элемента 5,сравнивающего Фактическое (текущее)значение скорости изменения тепловодОго потока - Факт. с заданным знадВс 11чением - задан, и вырабатывающегодВсигнал при достижении - Факт,О, 1;Ю50программного блока 6, в памяти которого находится среднестатистическая зависимость тепловыделений в процессе выращивания микроорганизмов отвремени - блок 6 вырабатывает сигналв строгом соответствии среднестатистической кривой кинетики тепловыделений, блока 7 выработки управляющихвоздействий, на который подают сигнал, пропорциональный величине тепловыделения в биореакторе 1 с моменЖта достижения -0,1; переключаюдтщего реле 8, предназначенного для передачи сигнала, пропорционального величине тепловыцелений в биореакторе 1, с момента времени достижения скорости изменения теплового потока с 16-0,1; датчика 9 определения ко- ЙТличества микроорганизмов и их структурных характеристик, блока О анализа структурных характеристик микроорганизмов, определяющего количество активных клеток, их морфологическое и физиологическое состояние, регулятора 11 подачи хладагента, связанного с исполнительным механизмом 12, установленным на линии подачи хладагента,Способ автоматического управления периодическим процессом выращивания микроорганизмов осуществляют следующим образом,В начальный период развития культуры (например Вас 11 ця гЬцг 1 п 81 епя 1 я айаг. яа 11 егае, выращиваемой при 29 С, Вас 111 ця 1 гсЬепЫогппя, выращи. ваемой при 37 С) происходит адаптация микроорганизмов, при этом величина тепловыделений в биореакторе 1 в этот период постоянна и определяется расчетным путем, Экспериментально установлено, что в период адаптации микроорганизмов скорость изменения теплового потока в биореакторе Б- ( О, 1. Период адаптации культуры имеет значительный разброс во времени, что связано с качеством посевного материала, с составом питательной среды, объемом загрузки биореактора. Поэтому начало изменений тепловыделений, связанных с развитием культуры во времени, колеблется в пределах 5- 8 ч. В фазе адаптации микроорганизмов блок 7 выработки управляющих воздействий вйдает сигнал на регулятор 11, соответствующий постоянной величине тепловыделения в биореакторе 1, при этом подача хладагента через исполнительный механизм 12 соответствует величине тепловыделения в биореакторе 1 в период адаптации культуры.После периода адаптации происходит увеличение количества вегетатив 1288660ных клеток и изменение структурныххарактеристик микроорганизмов, чтоприводит к изменению потреблениякультурой кислорода, повышению концентрации выделяющегося при дыханиимикроорганизмов углекислого газа и,соответственно, к увеличению тепловыделений в биореакторе 1.Экспериментальные данные показывают, что зависимость выделяемогомикроорганизмами тепла от времени ихкультивирования (кинетика тепловыделений) носит экспоненциальный характер и находится в строгой зависимости от структурных характеристик,морфологического, физиологическогосостояния культуры в данный моментее роста и развития,Величина тепловыделений в процессе выращивания микроорганизмов черездатчик 2 интегрального теплового потока регистрируется блоком 3, с выхода которого сигнал поступает на блок4 дифференцирования, где определяет 25ся фактическая скорость измененияИтеплового потока - факт, в биорелакторе 1, С блока 4 сигнал, пропорс 18циональный - факт поступает на 30с 1пороговый элемент 5, где сравнивается фактическое значение скоростид 8изменения теплового потока 1 факт,в биореакторе 1 с заданным значением 35Й 8- задан, и вырабатывается сигналДгЙ 8при достижении - факт.0,1.ЙС момента достижения скорости из08менения теплового потока-.ефакт,0,1Дс выхода блока 5 поступает разрешающий сигнал на блок 6, С выхода блока6 на вход блока 7 управляющих воздей ствий поступает сигнал, пропорциональный величине тепловыделений вбиореакторе 1, в соответствии со .среднестатистической кривой кинетикитепловыделений в процессе выращивания 0микроорганизмов (фиг, 2 и 5), установленной экспериментальным путем.Одновременно через переключающее реле 8 выхода блока 3 определения величины тепловыделений поступает в блок7 выработки управляющих воздействийкорректирующий сигнал, пропорциональный интегральному количеству тепловыделений в биореакторе 1. С выхода блока 7 на регулятор 11 поступает сигнал строго в соответствии со среднестатистической кривой кинетики тепловыделений культивируемых в биореакторе 1 микроорганизмов, с коррекцией по фактическому значению величины тепловыделений, регистрируемых датчиком 2Исполнительный механизм 12 управляет подачей хлад- агента по сигналам регулятора 11.Таким образом, регулирование подачи хладагента происходит по кривой тепловыделений (фиг. 2-5),которая определяет закономерность изменения тепловыделений во времени в процессе роста и развития микроорганизмов.Однако в зависимости от отклонений в составе питательной среды от качества посевного материа:.а могут возникнуть отклонения в росте и р звитии активных клеток от среднестатистических зависимостей, В этом случае из блока 10 анализа состояния структурных характеристик микроорганизмов через датчик 9 поступает сигнал, пропорциональный фактическому значению количества активных клеток и их структурному состоянию, а в программном блоке 6 сравнивается с соответствующим значением по среднестатистической кривой структурных характеристик микроорганизмов и уточняется местонахождение точки регулирования по кривой кинетики тепловыделений в соответствии с действительным значением количества активных клеток и их структурных характеристик. Так,если определенное блоком 10 анализа состояния структурных характеристик микроорганизмов количества активных клеток меньше (больше), чем то, которое определено кривой кинетики тепловы- делений, происходит дополнительная корректировка положения точки регулирования влево (вправо) по кривой до значения, определенного блоком 10На Фиг, 2 и 3 представлены кривые кинетики тепловьщелений при культивировании микроорганизмов Вас 11 из Ьпг.пдепвз айаг. да 11 егае - продуцента средства защиты растений энтобактерина и Вас 111 из 1 сЬепГогпп.з - продуцента антибиотика бацитрицина, по которым осуществляют регулирование подачи хладагента. На фиг, 4 и 5 отражено состояние культуры в процессе роста и развития, обуславливающее ее структурные характеристики (вегетативные клетки,1288660 ккал час съ Юъ 4ь ОЬф ф,ьф 0 4 8 Ю В И 24 И ХЯ Хб Ерем расла культуры Вас. ИсЬемйпвс зИациярацин Фиг.8заспорованные клетки, полное высыпание спор), а также все тепло, выделяемое и поглощаемое при выращивании микроорганизмов. Формула изобретения Способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, предусматривающий поддержание оптимальной температуры в биореакторе путем изменения подачи хладагента, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности поддержания оптимальной температуры в биореакторе, подачу хладагента осуществляют при достижении скорости изменения теплового потока впроцессе выращивания микроорганизмовпорогового значения МИТЕЙ, 0,1 в соответствии со среднестатистическимстандартным графиком кинетики теплового потока биореактора и осущест вляют коррекцию подачи хладагента всоответствии с величинами фактичес 1кого значения теплового потока и морфологического и физиологического состояния выращиваемых микроорганизмов.288 ббО ор А. Зимоко 807/4 б ТирБНИИПИ Госудапо делам из 113035, Москва,аж 885ственного комибретений и открЖ, Раушская Подписиета СССРь 1 тийнаб д. 4/5 аказ оизводственно-попиграФическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель Л,Кудрявцеведактор А,Шандор Техред Н,Глуяенко Ь а фе 4 ц м Ф Ъ ц3 с Ь