Система управления процессом культивирования микроорганизмов

/ ЛЬСТВУ быть испобелково-ви рментов, ан ичение выход ля опол" 73 оки идентиактивностиостей росттрам и по о морфоло ораметрам ическим парам среды, сумми ей роста мик производной ов, сравнения клеток, что пования удельоорганизмов,остаточных х скорос пределени глеводоро ктивности тельство СССР 1) 7/00, 985. вычисленияозволяет бо ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИРИ ГКНТ СССР(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ и Институт микробиологии АН СССР(54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ(57) Изобретение можетзовано в производствеминных концентратов, фетибиотиков, Цель - увелбиомассы, Изобретение янительным к авт, св, Мдополнительно содержитфикации параметров модеопределения удельных ск1555698 55 лее правильно скорректировать процесс биосинтеза за счет более точно"го и раннего определения удельнойскорости роста популяции и приводитк улучшению состояния культуры, засчет чего увеличивается выход биомассы, В блоке 16 вычисления активности клеток клетки по морфологофизиологическим признакам по даннымс вычислителя 9 разбиваются на группы: активные, ослабленные, мертвые,Значения последних поступают в блоки1, 18 идентификации параметров модели активности и определения удельной скорости роста по морфолого-Физиологическим параметрам, где происИзобретение относится к микробиологической промышленности и может найти применение на заводах белково-витаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированиемОмикроорганизмов и является усовершенствованием изобретения по авт.св,9 1359773,Цель изобретения - увеличение выхода биомассы,На чертеже изображена структурнаясхема системы управления процессомкультивирования микроорганизмов.Система состоит из ферментера 1,блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блока 3суммирования, блока 4 исполнительныхмеханизмов, пульта 5 управления, блока 6 начальных уставок управляемыхпараметров, устройстваввода данных химического анализа, блока 8 сканирующих микроскопов, вычислителя 9отличительных морфологических и статистических признаков культуры микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков процесса Ферментации и удовлетворительных решений тех"нолога для них на изменение управляемых параметров, блока 1.1 Формированиясигналов коррекции управляемых параметров, ключа 12 управления, блока13 идентификации параметров моделипроцесса биосинтеза, блока 14 оптимизации, сумматора 15, блока 16 вычисления активности клеток, блока 17идентификации модели активности,блока 18 определения удельной ско 25 30 35 40 45 50 ходит определение удельной скоростироста по морфолого-Физиологическимпараметрам, В блоке 19 удельная скорость роста определяется по традиционным методам, например по моделиМоно-Иерусалимского, по данным о параметрах среды с блока 2, В блоке 20суммирования происходит сложениеудельных скоростей с соответствующими весовыми коэффициентами, которыекорректируются с блока 21 сравнения,на вход которого поступают значения производной остаточных углеводородов с блока 22 и углеводородовпо данным химанализа с устройства 7,1 ил. рости роота по морфолого-Физиологическим параметрам, блока 19 определения удельной скорости роста по параметрам среды, блока 20 суммированияудельных скоростей роста, блока 21сравнения, блока 22 определения производной остаточных углеводородов.Секции ферментера 1 соединены сблоком 8 сканирующих микроскопов, навыходе которого датчики оптическойплотности (не указаны) соединены спервым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя9 соединен с выходом блока 10 памяти,второй выход блока 10 памяти подклю-.чен к первому входу блока 11 формирования сигналов коррекции,Входы блока 10 памяти подключенык выходам блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, пульта 5 управления, устройства 7 ввода данных химического анализа и вычислителя 9,Входы блока формирования сигналовкоррекции управляемых параметров также соединены с выходами блоков 2, 7и вычислителя 9, Выход блока 11 формирования сигналов коррекции соединнен через сумматор 15, ключ 12 управления, пульт 5 управления с блоком 3 суммирования,Один из входов блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза связан с блоком 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, другой - с выходом вы 5 15числителя 9 морфологических признаков культуры, третий - с устройством7 ввода данных химического анализа,а выход блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеэасоединен через блок 14 оптимизациис входом сумматора 15, другой входсумматора 15 подключен к выходу блока 11 формирования сигналов коррекции, Выход сумматора 15 посредствомключа 12 управления соединен с пультом 5 управления и блоком 3 суммирования,Пульт 5 управления подключен также к выходам устройства 7 ввода дан ных химического анализа и блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, Другой выход блока 2 датчиков контролируемых параметров соединен с блоком 3 суммирования, Выход пульта 5 управления соединен также с входом блока 3 сум- мирования и входом блока 10 памяти, Выход блока 6 начальных уставок управляющих параметров соединен с входом блока 3 суммирования, выход которого подключен к входу блока 4 исполнительных механизмов, выходы последнего соединены с секциями ферментера 1, Секции ферментера 1 соединены также с блоком 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации.Блок 16 вычисления активности клеток соединен с вычислителем 9 морфологических признаков, выход блока 16 вычисления активности клеток соединен с входами блока 1 идентификации параметров модели активности и блока 18 определения удельной скорости роста по морфолого-физиологическим параметрам, второй вход блока 18 соединен с выходом блока 17. Блок 19 определения удельной скорости роста по параметрам среды соединен с блоком 2 датчиков контролируемых параметров, блок 20 суммирования удельных скоростей роста подключен к входу блока 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеэа, причем входы блока 20 суммирования подключены к выходам блоков 18 и 19 определения удельных скоростей роста по морфолого-физиологическим параметрам и по параметрам среды, а также к выходу блока 21 сравнения, Вход блока 21 сравнения подсоединен к выходу55698 6 25 30 регулирующих эти параметры, поступают с пульта 5 управления в блок 10памяти, где они записываются на однустраницу рядом с данными блоков 2,357 и вычислителя 9 для которых приУнято решение на изменение параметров,Если решение положительно, то этастраница с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9 и соответствующим реше 4 О нием на изменение величины и знакакомпонента остается в блоке 10 памяти. Если решение отрицательно, вслучае уменьшения выхода биомассы иухудшения ее качества, то страница45 стирается из памяти, На этой же странице записывается во сколько раз увеличивается экономический показатель.С заданным дискретом по времениописанный цикл повторяется, и изнабранных страниц для данного типасырья, например парафина; в блоке 10памяти составляется книга, Нулевыезначения величины на изменение компонент и получаемые при этом положи 55тельные решения также записываютсяв блок 1 О памяти,При обучении нет необходимостизадавать условия для отклонения процесса от нормы, а требуется обраба 5 10 15 20 блока 22 определения производнойостаточных углеводородов, Входы блока 17 идентификации параметров модели активности, блока 22 определенияпроизводной остаточных углеводородов,блока 21 сравнения и блока 19 определения удельной скорости роста попараметрам среды подключены к выходуустройства 7 ввода данных химического анализа,Система работает следующим образом.Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12 ус- .танавливается в нейтральное положение. На пульт 5 управления и в блок1 О памяти поступают данные с блока 2датчиков контролируемых физико-химических параметров, с вычислителя 9 отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7. По этим данным с пульта 5 управления при" нимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров, задаваемых блоком 6.Значения величины и знака изменений подачи в ферментер 1 компонентов, 1555 б 9830 тывать реально текущие процессы, После окончания обучения, проходящего втечение некоторого времени Т (недели, месяцы), производится математическая обработка полученных результатов (выбор метрики, высоких коэфФициентов и т,д,), а затем ключ 12ставится в такое положение, что система работает в режиме "советчика" 10(полуавтомата) следующим образом,Текущие данные с блоков 2, 7 ивычислителя 9 (т,е., существенно информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигналов коррекции, где они сравниваютсяпо одному из алгоритмов распознавания образов с данными, записаннымина страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями, Блок 11 20выбирает из блока 10 памяти данныетой страницы книги для заданного типа сырья, которые ближе всего к данным текущего процесса, и с этой страницы берется записанное ранее положительное решение на изменение корректирующих значений изменений регулирующих параметров,В случае, если в режиме "советчика" система работает удовлетворительно, то ключ 12 ставится в положение, при котором система переводится в автоматический режим работы,причем удовлетворительной считаетсятакая работа системы, когда при выполнении ее команд ("советов") экономический показатель не ниже того,который записан на странице памяти,В случае, если он оказываетея вышее,то прежняя страница стираетсй и для 40данного показателя записываются новые данные и решения по ним.В качестве существенно информа-.ционных признаков процесса фермевтации (классов), которые записываются 45в блок 10 памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются показания датчиков контролируемых параметров по всей технологической линии процесса Ферментации и 50морфологические параметры (определяемые вычислителем 9),культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов,включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1 и из неБо Бофх (Ох)чаАх (х )зад(вх) д8.х аф обходимых точек технологической линии процесса Ферментации,1Морфологические параметры включают в себя геометрические размеры,форму, число частиц различной формыи включений и т,д причем в качестве признаков принимаются статические характеристики этих параметров,статистические характеристики культуры микроорганизмов, рассчитанныепо сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа, данные химического анализа с устройства 7, Система управления процессомферментации приходит в равновесие,когда признаки текущего процессасовпадают с признаками эталонногооптимального,Введенная локальная оптимизация(блок 13 идентификации параметров модели, блок 1 ч оптимизации и сумматор 15) уточняет и дополняет работусистемы управления и работает следующим образом. На вход блока 13идентификации из вычислителя 9 поступают значения Мф-параметров, с блока7 - значения концентраций биомассы(Х), остаточных углеводородов (Б),фосФора (РО ), азота (Б), а такжеиз блока 2 - расходы компонентов питания углеводородного (Я ), Фосфора(Р, ), азота (11 ), скорости разведения (Э), объема аппарата (Ч),В блоке идентификации рассчитываются коэффициенты, в том числе математической модели процесса культивирования с учетом состояния кульотуры (Мф-параметры) и параметров среды(Б, Б, Р) путем ликвидации суммыквадрата разностей экспериментальных(за несколько часов, например 10 ч)и теоретических, рассчитанных по модели в блоке идентификации, значенийХу Бр Иф РаНа вход блока оптимизации поступают с блока идентификации текущиезначения коэффициентов математическоймодели и затем в блоке рассчитываются сигналы коррекции подачи компонен"тов питания (8 , Н , Р.) и скоростиразведения (Р) таким образом чтобыобеспечить минимум заданного критерия, Например, на КОПЗ испытываетсякритерийБо . Бо Ро Ро,И, - концентрации остаточных углеводородов, фосфора, азота;- константы. С блока оптимизации сигналы коррекции поступают на сумматор 15, Надругой вход сумматора 15 поступаетсигнал управления Бо получаещ щна блоке 11. В сумматоре происходитсложение этих сигналов с соответствующими удельными весами и вырабатывается общий сигнал управления (11),аур - сигнал управления, получаемый локально-оптимиз ационнойчастью системы;Б ц - сигнал управления, получаемый обучающейся. частью системы;К,К- удельные коэффициенты,В случае отказа обучающейся частиК равно О.Описанная система может работатькак н режиме "советчика", так и вавтоматическом режиме, для чего ключ12 ставится в необходимое заданноеположение,Обучающая часть системы использует в своей работе информацию о процессе, полученную в течение ограниченного отрезка времени (недели, месяца), На производстве в процессеферментации довольно часто (ц-б разв сутки) возникают ситуации, ранеене встречающиеся, В этом случае обучающая система дает отказ, Использование системы локальной оптимизацииликвидирует возможность отказов, таккак эта подсистема не обладает ограниченной памятью и использует лишьтекущую информацию о процессе ферментации.В блоке 13 идентификации параметров модели процесса биосинтеза идентифицируются коэффициенты матЕматической модели, в том числе удельнаяскорость роста микроорганизмов р ,ОднаКо, в виде указанных причин (не 1 д стабильность процесса, случайная смена лимитирующего фактора) коэффициент И требует уточнения, Для этогоморфолого-физиологические параметрыс вычислителя 9 отличительных морфологичес: лх и статистических призна"ков куль туры микроорганизмов поступают в блок 16 вычисления активностиклеток, где все клетки разбиваютсяна группы (активные, ослабленные,мертвые) по морфологическим признакам, Значения последних поступают .нблок 17 идентификации параметровмодели по активности и в блок 18 определения удельной скорости роста но 25 .морфолого-физиологическим параметрампропорционально относитльному содер 1жанию активньас клеток, т.е. 30Таким образом определяют удельную скорость роста по морфологофизиологическим параметрам рВ случае, если точно известно,что лимитирование происходит по ос новному компоненту питания - углеводородному (УГВ), т,е. УГВ ( УГВ заданного и процесс установившийся,Йт.е.УГВЯ, то удельная ско рость роста определяется известным методом, например по модели Моно- ИерусалимскогоЙмс кс 11 мл гдеи К,К - идентифицируемые параметры модели; Б - остаточные углеводороды (УГВ); Б - входная концентрация парафина,В блоке 9 происходит определениеудельной скорости роста по Ионо Иерусалимскому, куда поступают данные о параметрах среды с блока датчиков контролируемых параметров и с устройства 7 ввода данных химического анализа с содержанием УГВ,15556 Составитель В,НовиковТехред А.Кравчук Корректор М.Самборская Редактор Н, Тупица Заказ 555 Тираж 664 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г,Ужгород, ул. Гагарина, 101 11л,Значения рс блока 18 и 10 м,п,с блока 19 поступают в блок 20 суммирования удельных скоростей роста свесовыми коэффициентами я и 8, т.е.уточпенное значение р, используемоедля коррекции процесса биосинтезапоступает в блок 13 идентификации па,раметров модели процесса биосинтеза,Коэффициенты яи 8 корректируются с блока 21 сравнения (управлениявесовыми коэФфициентами), на входкоторого поступают значенияс 1УГВ с устройства 7 ввода данныхс 11химического анализа, В блоке 21 текус 1щие значения УГВ и - УГВ сравнивас 11ются с заданными значениями, Если текущие значения УГВ : (УГВ)д, а20с 1 с 1йеУГВ ( ( - УГВ)с 1 эд фто весовые коэффициенты я= 0,2, а д = 0,8, впротивном случае 8= 0,8, р 8 =0,2.Таким образом, использование системы управления процессом культивирования микроорганизмов с дополнительно введенными блоками вычислениям-активности клеток, идентификациимодели активности, определения удельной скорости роста и по морфологофизиологическим параметрам, и по параметрам среды, определения производной остаточных углеводородов, сравнения и суммирования скоростей роста, 35позволяющими уменьшить влияние нестабильности процесса культивирования, случайной смены лимитирующихфакторов, более правильно скорректировать процесс биосинтеза за счетболее точного и раннего определенияудельной скорости роста популяции,приводит к улучшению состояниякультуры, за счет чего увеличиваетсявыход биомассы (продуктивность) на57. (с 2,6 до 2,73 г/л ч),Формула изобретенияСистема управления процессом культивирования микроорганизмов поавт. св. У 1359773, о т л и ч а ю -щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода биомассы, она дополнительно снабжена последовательно соединенными блоками идентификации параметров модели активности и определения удельной скорости роста поморфолого-физиологическим параметрам,последовательно соединенными блоками определения удельных скоростейроста по параметрам среды и суммирования, удельных скоростей роста микроорганизмов, последовательно соединенными блоками определения производной остаточных углеводородов и сравнения, и блоком вычисления активности клеток, при этом первый выход последнего соединен с входом блокаопределения удельной скорости ростапо морфолого-физиологическим параметрам, второй выход - с первым входомблока идентификации параметровмодели активности, а вход - с выходом вычислителя морфолого-физиологическихпризнаков культуры микроорганизмов,выход блока определения удельнойскорости роста по морфолого-физиологическим параметрам - с вторым входом блока суммирования удельных скоростей роста, третий вход которогоподключен к выходу блока сравнения,а выход - к входу блока идентификации параметров модели процесса биосинтеза, а также первый вход блокаопределения удельной скорости ростапо параметрам среды соединен с вьМходом блока датчиков контролируемыхпараметров процесса ферментации,вторые входы блоков идентификации параметров модели активности, сравнения, определения удельных скоростейроста по параметрам среды и первыйвход блока определения производнойостаточных углеводородов подключены к выходу устройства ввода данных химического анализа,