Система управления процессом культивирования микроорганизмов

ер, В.А.Маррабошкин, ан о СС детельс 0 27 О 1976,с ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Всесоюзный на тельский институтвых веществ (72) К.А.ЯновскийЮ.Г.Козлов, Б.П.Пакелов, А.Ю.ВинаровВ.М.Черный-Галафре(54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ (57) Изобретение относится к микробиологической промьппленности при производстве белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков. Цель изобретения состоит в повышении производительности ферментера за счет использования в работе системы управления текущей информации с ферментации, увеличивая тем самым точность управления, а следовательно, и выход биомассы. Система дополнительно снабжена последовательно1359773 10 15 20 25 30 соединенными блоком 13 индентификациипараметров модели, блоком 14 оптимизации и сумматором 15, при этомодин из входов блока 13 идентификации связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, другой - свыходом вычислителя 9 морфологических признаков, третйй " с устройством 7 ввода данных химического анализа, причем второй вход сумматора15 соединен с выходом блока 11 формирования сигналов коррекции, а выход сумматора 15 посредством ключа12 управления соединен с .пультом 5управления и блоком 3 суммирования.При этом на вход блока 13 идентификации из вычислителя 9 поступаютзначения морфологических параметров,а .с устройства 7 - значения концент 1Изобретение относится к микробиологии, в частности к системам управления процессом культивирования микроорганизмов, используемым в производстве белково-витаминных концентратов (БВК), ферментов, антибиотиков.По основному авт, св, Р 635736, известна система управления процессом культивирования микроорганизмов, включающая ферментер, пульт управления, блок датчиков контролируемых параметров, связанный с первым входом пульта управления, устройство ввода данных химического анализа, связан-. ное с вторым входом пульта управления, блок начальных уставок управляемых параметров, блок исполнитель= ных механизмов и блок суммирования, к одному входу которого подключен пульт управления, второй вход соединен с блоком начальных уставок управ.ляемых параметров, а выход - с блоком исполнительных механизмов, блок сканирующих микроскопов, вычислитель морфологических признаков, блок памяти, блок формирования сигналов коррекции, при этом к входам блока памяти подключены блок датчиков конт.ролируемых параметров, устройство раций биомассы, остаточных углеводо-.родов, фосфора, азота и из блока 2 -.расходы компонентов питания углеводородного, фосфора, азота, скоростиразведения и объема аппарата, гдерассчитываются коэффициенты математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры ипараметров среды путем минимизациисуммы квадратов разностей экспериментальных и теоретических, рассчитанных по моДели в блоке 13. С блока 13сигналы поступают на блок 14 оптими-,зации и затем на сумматор 15, гдерассчитываются сигналы коррекцииподачи компонентов питания и скорости разбавления таким образом, чтобыобеспечить минимум заданного критерия. 1 ил. 2ввода данных химического анализа, пульт управления и вычислитель морфологических признаков, один из входов которого соединен с первым выходом блока памяти, второй вход через блок сканирующих микроскопов связан с фермектером, а второй выход - с пультом управления, второй выход блока памяти подсоединен к блоку формирования сигналов коррекции, входы которого соединены с блоком датчиков контролируемых параметров, вычислителем морфологических признаков, устройством ввода данных химического анализа, а выход блока формирования сигналов коррекции посредством ключа управления соединен с пультом управления и блоком суммирования.Цель изобретения - повьппение производительности ферментера.На чертеже изображена структурная схема системы управления процессом культивирования микроорганизмов.Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментизации, блока 3 суммирования, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления,блока 6 начальных уставок управляемых параметров, устройства 7 вводаз 1359773 данных химического анализаблока 8 в сканирующих микроскопов, вычислителя х 9 отличительных морфологических и л статистических признаков культуры 5 б микроорганизмов, блока 10 памяти от- с личительных признаков процесса фер- Т ментации,и удовлетворительных реше- д ний технолога для них на изменение управляемых параметров, блока 11 10 формирования сигналов коррекции упт равляемых параметров, ключа 12 упЦ равления, блока 13 идентификации па- к раметров модели, блока 14 оптимизат ции и сумматора 15. 15 тСекции ферментера 1 соединены ст блоком 8 сканирующих микроскопов,п на выходе которых датчики оптической т плотности (не показаны) соединены с первым входом вычислителя 9 морфоло 20 з гических признаков культуры микро- У организмов, второй вход которого соединен с выходом блока 0 памяти. В последнем записаны удовлетворительные решения на изменение управляемых па раметров, а также отличительные моршологические и статистические признаки 40 50 культуры микроорганизмов, на основании которых ранее были приняты удовлетворительные решения, улучшившиеэкономические показатели процесса ферментации (количества и качества продукта). В блок 10 памяти поступают также данные с блока 2 датчиковконтролируемых параметров процесса ферментации и с устройства 7 ввода данных химического анализа.Выходблока 10 соединен с входом блока 11 формирования сигналов коррекции, на вход которого поступают данные сблока 2, устройства 7 и вычислителя 9.На входы блока 13 идентификации параметров модели поступают данныес вычислителя 9, с блока 2 датчиков контролируемых параметров и с устройства 7 ввода данных химического анализа. Выход блока идентификации параметров модели подключен к блоку14 оптимизации, выход последнего подключен к входу сумматора 15, на другой вход которого поступают данные из блока 11 формирования сигналов коррекции.Выход сумматора Ъ 5 посредством ключа 12 управления соединен с пультом 5 управления и блоком 3 суммирования. Выход пульта 5 управления соединен с входом блока 3 суммироания и входом блока 10 памяти. Выод блока 6 начальных уставок управяемых параметров соединен с входомлока 3 суммирования, выход которогооединен с входом блока 4 исполниельных механизмов, .изменяющих поачу компонентов в ферментер 1,Блок 13 идентификации параметроводели, блок 14 оптимизации и суммаор 15 составляют локально-оптимизаионную часть системы управления,оторая в своей работе используетекущую информацию о ферментации ием самым увеличивает точность рабан системы в целом, а следовательно,овышает производительность ферменера.В случае отказа локально-оптимиационная часть полностью переведетправление процессом на себя.Система работает следующим обраом,Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12 усанавливают в нейтральное положение.На пульт 5 управления и в блок 1 Опамяти поступают данные с блока 2датчиков контролируемых физико-химиФЗО ческих параметров, с вычислителя 9отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов ихимические данные с устройства 7, Поэтим данным с пульта 5 управления принимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6.Значения величины и знака изменений подачи в ферментер 1 компонентов, регулирующих эти параметры,поступают с пульта 5 управления вблок 10 памяти, где они записываютсяна одну страницу рядом с данными бло 45 .ка 2 устройства 7 и вычислителя 9,для которых принято решение на изменениепараметров,Если решение положительно, то эта страница с данными блока 2 устройства 7 и вычислителя 9 и соответствующим решением на изменение величины и знака компонента остается в блоке 10 памяти. Если решение отрицательно, в случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из памяти. На этой же стра" нице записывается, во сколько разувеличивается экономический показательС заданным дискретом по времени . описанный цикл повторяется. Из набранных страниц для данного типа сырья например парафина,в блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения величины на изменение компонента иполучаемые при этом положительныерешения также записываются в блок 10памяти,При обучении нет необходимостизадавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обраба. тывать реально текущие процессы. Поокончании обучения, проходящего в те;чение некоторого времени Т (недели,месяцы), производят математическуюобработку полученных результатов(выбор метрики, весовых коэффициентов и т.д.), а затем ключ 12 ставятв такое положение, что система работает в режиме "советчика" (полуавтомата) следующим образом,Текущие данные с блока 2, устройства 7 и вычислителя 9 (т.е. существенно-информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигналов коррекции, где онисравниваются по одному из алгоритмовраспознавания образов с данными, записанными на страницах в блоке 10памяти с соответствующими решениями.Блок 11 выбирает из блока 10 памятиданные той страницы книги для заданного типа сырья, которые ближе всего к данным текущего процесса, и сэтой страницы берется записанное ранее положительное решение на изменение корректирующих значений измененийрегулирующих параметров.Если в режиме "советчика" системаработает удовлетворительно, то ключ12 ставится в положение, при которомсистема переводится в автоматическийрежим работы, причем удовлетворительной считается такая работа системы,когда при выполнении ее команд ("советов") экономический показатель нениже того, который записан на страни-.це памяти. В случае, если он оказывается выше, прежняя страница стирается и для данного показателя записываются новые данные и решения поним еВ качестве существенно-информационных признаков процесса ферментации50 55 В блоке 13 идентификации рассчитываются коэффициенты математической модели процесса культивирования с учетом состояния культуры (ИФ-параметры) и параметры среды (Я, И, Р) путем минимизации суммы квадратов разности экспериментальных (за несколько часов, порядок 10 ч) и теоретических рассчитанных по модели в блоке идентификации значений Х, Б, Б, Р. блок 10 памяти, при проведении реаль-.ного процесса на заводе принимаютсяпоказания датчиков контролируемых параметров по всей технологическойлинии процесса ферментации и морфологические параметры (определяемыевычислителем 9) культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов, вклю 10 чений в них и в среде) из различныхсекций ферментера 1 и из необходимыхточек технологической линии процессаферментации.Морфологические параметры (Мф-па-,15 раметры) включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т.д.,причем в качестве признаков принимаются статистические характеристикиэтих параметров, статистические ха-рактеристики культуры микроорганизсов, рассчитанные по сигналу датчикаоптической плотности сканирующегомикроскопа, данные химического ана 25 лиза с устройства 7, Система управ"ления процессом ферментации приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного оптимального,Введенная локальная оптимизация(последовательно соединенные блоки13-14 идентификации параметров модели и оптимизации, сумматор 15) уточняют и дополняют работу систему упЗ 5. равленияСистема управления работает следующим образом,На вход 13 блока идентификации иэвычислителя 9 поступают значения Мф 40.параметров, с,устройства 7 - значенияконцентраций биомассы (Х), остаточных углеводородов (Я), фосфора (Р 0 ),азота (И), а из блока 2 - расходыкомпонентов питания углеводорода45 (Б), фосфора (Р), азота (Ха), скорости разведения (О), объем аппаратаСоставитель Л.БогачеваТехред А.Кравчук Корректор М.Демчик Редактор А.Лежнина Заказ 6152/49 Тираж 863 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 9 135977 этом один из входов блока идентификации связан с блоком датчиков контролируемых параметров, другой - с выходом вычислителя морфологических5 признаков, третйй - с устройством ввода данных химического анализа,3 Опричем второй вход сумматора соединен с выходом блока формирования сигналов коррекции, а выход сумматора посредством ключа управления соединен с пультом управления и блоком суммирования.