Способ автоматического управления биотехнологическим процессом

;,.,;.."и- Пйь "1-",.Ч Уеееее ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) САНИЕ ИЗОБ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Московский технологический институт пищевой промышленности(56) Авторское свидетельство СССР М 1062262, кл. С 12 0 3/00, 1989.(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ(57) Использование: в микробиологической промышленности, а именно, при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнологическим процессом в биореакторе, Сущность: способ автоматического управления биотехнологическим процессом предусматривает измерение концентрации побочного продукта и управление подачей питательной среды в зависимости от величины отклонения концентрации побочного продукта от заданного значения, а также управление скоростью перемешивания культуральной среды, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения выхода целевоИзобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано при управлении периодическим воздушно-приточным биотехнологическим процессом в биореакторе,Предложенный способ может быть применен для управления биотехнологическими процессами, использующими микроорганизмы, способные производить и потреблять промежуточный продукт жизнедеятельности, такие как го продукта, измеряют концентрацию биомассы, концентрацию кислорода в отходящих газах, рабочий объем культуральной среды и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода, при снижении скорости потребления кислорода ниже максимального значения и при положительной скорости изменения концентрации побочного продукта в зависимости от отклонения концентрации побочного продукта от заданного значения осуществляют управление подачей воздуха на аэрацию и управление скоростью перемешивания культуральной среды, а при достижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концентрации побочного продукта осуществляют уйравление подачей питательной среды, причем заданное значение концентрации побочного продукта изменяют по программе, соответствующей максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве, а выращивание посевного материала заканчивают при достижении максимально возможной удельной скорости протока культуральной среды в биореакторе. 6 ил,Яасс)аговусез сегечзае, Сапдда мз, Езс)егсЫа со, 2 у(поп)опаз, АсетоЬастег, Ятгертососсиз,ецсопозсос,асюЬасцз и дяНаиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к предлагаемому является способ автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, заключающийся в том, что измеряют содержание кислорода в отходясреды, определяют удельную скорость роста микроорганизмов и регулируют подачу воздуха на аэрацию иподачу питательной среды с учетом удельной скорости роста Недостатком способа является низкий выход целевого продукта из-за отсутствия оценки текущего типа метаболизма микроорганизмов по концентрации и скорости иэменения концентрации промежуточного продукта жизнедеятельности и удельной скорости потребления кислорода и соответственно невозможности выдачи корректного управляющего воздействия, а также отсутствия регулирования скорости перемешивания культуральной среды.Целью изобретения является увеличение выхода целевого продукта,Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического управления биотехнологическим процессом предусмотрено измерение содержания кислорода вотходящих газах и рабочего обьема культу- ральной среды и регулирование подачи воз духа на аэрацию и подачи питательной среды, Отличием является то, что дополнительно измеряют концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности микроорганизмов и концентрацию биомассы и по измеренным значениям определяют удельную скорость потребления кислорода,сравнивают с максимальным значением, устанавливают знак скорости изменения концентрации промежуточного продукта и 35регулируют скорость перемешивания куль"туральной среды,при этом регулирование подачи воздуха на аэрацию и скорости перемешивания культуральной среды осуществляют в зависимости от отклонения концентрации промежуточного продукта от заданного значения в случае снижения удельной скорости потребления кислорода ниже максимального значенйя и при положительной скорости изменения концентрации промежуточного . продукта, а регулирование подачи питательной среды осуществляют в зависимости от отклонения концентрации промежуточного продукта отзаданного значения при достижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концентрации промежу" точного продукта, При этом заданное значе-.ние концентрации промежуточного продукта 55 выбирают равным эначенйю, соответствующему максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве. В ходе биотехйологического процессавозможно возникновение различных технологических нарушений, приводящих к падению выхода целевого продукта (биомассы,аминокислоты, антибиотика, уксусной кислоты и т.п,). Измеряя концентрацию промежуточного продукта жизнедеятельности(например, этанола при выращивании хлебопекарных дрожжей) и удельную скоростьпотребления кислорода, можно однозначноопределить тип технологического нарушения и выдать соответствующее управляющее воздействие,Обоснование необходимости введенияотличительных признаков;измерение концентрации биомассы необходимо для расчета удельной скоростйпотребления кислорода;измерение концентрации промежуточного продукта жизнедеятельности микроорганизмов необходимо для определениятипа метаболизма микроорганизмов сцелью идентификации типа технологического нарушения;расчет удельной скорости потреблениякислорода необходим для определения типа метаболизма микроорганизмов с цельюидентификации типа технологического нарушения;регулирование скорости перемешивания культуральной среды в зависимости ототклонения концентрации промежуточногопродукта от заданного значения необходимо с целью достаточного насыщения культуральной среды кислородом;выбор заданного значения концентрации промежуточного продукта необходимдля учета ограничений на качество целевогопродукта.Аналоги, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружены.Предлагаемое решение соответствует критерию "существенные отличия".На фиг.1 представлена схема устройства для осуществления предложенного способа управления биотехнологическимпроцессом; на фиг,2-6 представлены временные диаграммы, описывающие изменение концентрации промежуточного продукта .У в культуральной среде, удельной скоростипотребления кислорода О и параметров программ управления подачей воздуха на азрацию (в), скоростью перемешивания (К) иподачей питательной среды (п) во времени.Устройство для осуществляется автоматического управления биотехнологическимпроцессом содержит датчик 1 концентрации кислорода в отходящих из биореактора2 газах, датчик 3 рабочего обьема культуральной среды в биореакторе 2, датчик 4концентрации промежуточного продукта вкультуральной среде, датчик 5 концентрации биомассы в культуральной среде и задающий блок 6, выходы которых соединеныс входами микропроцессорного блока управления 7, Сигналы с выходов блока 7 подаются нэ входы исполнительных механизмов8, 9, 10 и 11, расположенных соответственнов линии подачи в биореактор 2 питательнойсреды, на валу перемешивающегоустройства, в линии подачи воздуха на азрацию и в 10линии отвода культуральной среды из биореактора 2 на сепарацию,Способ осуществляют следующим образом,С началом технологического процесса в 15биореакторе 2 на его входы непрерывноподают воздух на азрацию, питательнуюсреду и осуществляют перемешивание культуральной среды в соответствии с программами изменения управляющих воздействий 20во времени, заложенными в микропроцессорном блоке 7;Еа = 71 ехр (т т); (1)а = Е 2 ехр (К т); (2)Еа=23 ехр(и т), (3) 25где Ра - объемный расход воздуха,и - скорость вращения мешалки;Ра - объемный расход питательной среды 1 ЕЗ константы, 30и, с, и - корректируемые параметры;с - текущее время с начала процесса в биореакторе 2,Сигналы, соответствующие управляющим программам (1), (2) и (3), подаются с 35 выходов блока 7 на входы исполнительных механизмов 8, 9 и 10. На основе информации с датчиков рабочего объема 3 концентрации биомассы 5 и концентрации . кислорода 1, а также расчетного значения 40 Га (по зависимости (1 рассчитывают удельную скорость потребления кислорода: ОХЧ где С - объемная конв отходящих газах; ц - плотность атм 21 - объемная кон в воздухе; Х - концентрация Ч - рабочий объе ентрация кислорода сферного воздуха;ентрация кислорода 5биомассы;культуральной среы.П казе датчика концентрации кисудельную скорость потреблениярассчитывают по формуле;+ Кг (б (ЧХ)/бт)/(ЧХ); (5)Овах, то О = Ошах,лородэ 1кислородаО=Кесли О где К 1, К 2 - константы,В задающий блок 6 закладывают и хранят в нем значения всех констант, максимальное значение удельной скорости потребления кислорода Ошах и заданное значение концентрации промежуточного продукта+, В ходе предварительных экспериментов выбирается значение, соответствующее максимал ьному выходу биомассы (так как биомасса способна одновременно расти на основном субстрате и промежуточном продукте), при котором еще не происходит заметного ингибирования роста биомассы и биосинтеза целевого продукта и снижения качества целевого продукта, Величины Оаах и+являются характеристиками конкретной культуры,На основе сигнала с датчика 4 концентрации промежуточного йродукта 1 и скорости его изменения бУ/бт, а также результатов сравнения величий О и Оаах, У иФв микропроцессорном блоке управления 7 осуществляют коррекцию управляющих программ (1), (2) и (3) в соответствии с алгоритмом:Оета = У - ;б/бт Оета = бУ/бт,если бУ/бс0 и ООгпах,то из = а+ А 1 бУ/бт+А 2 Ое 1 Та; (6)если. бУ/бт .0 и ООвах,то 1: = М+ АЗ бУ/бт+ А 4 Оета;если бУ/бт0 и О = Опах или бУ/бсО,то и = и - А 5 бУ/Й - А 6 Оета,где А - Аб - константы.При отказе датчика 1 величина О определяется по формуле (5), При отказе хотя быодного из датчиков 3 или 5 невозможно определить величину О по зависимости (4) или(5). Тогда микропроцессорный блок управ-,ления осуществляет управление по другомуалгоритму:Оета,= У - ;б/бт Оета = бУ/бт;и = и - А 5 бУ/бт - А 6 ОеИа;если бУ/бтО,то щ = щ + А 1 бУ/бт+ А 2 Ое 1 та; (7)если бУ/бтО,то 1 = 1+ АЗ бУ/б 1+ А 4 Оета,Теоретическое обоснование алгоритмауправления (6) основывается на следующихособенностях метаболизма микроорганизмов:- состояние А бУ/бт0 и О = Овахсоответствует передозировке питательнойсреды и возникновению азробного брожения;- состояние Б: бУ/бт0 и ООвахсоответствует недостаточной подаче возду 1786072ха и скорости перемешивания и возникновению анаэробного брожения;- состояние В; бУ/Ф0 соответствует недостаточной подаче питательной среды и возникновению субстратного голодания;- состояние Г; бПОт = О, Ое 1 а = 0 и 0 = 0 соответствует максимуму выхода целевого продукта прй заданном его качестве (поддержание этого состояния и обеспечивает алгоритм (6.На Фиг.2-6 представлены все ситуации, возможные в ходе управления биотехнологическим процессом, Отрезки АВ и ЕГ соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии Б, Отрезки ВС соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии А. Отрезки.СО и ГО соответствуют работе алгоритма (6) в состоянии В, Отрезки ОЕ, 6 Н иМ соответствуют состоянию Г. В точке Н произошел отказ одного из датчиков 3 или 5 и управление передано алгоритму (7), Ситуация, соответствующая отрезкам НК, неопределенна - это либо состояние А, либо состояние Б, Поэтому алгоритм (7) корректирует.все управляющие программы (1)-(3). Погрешность алгоритма (7) обусловлена неоднозначностью возникающих ситуаций. По окончании процесса в биореакторе 2 микропроцессорный блок управления 7 подает сигналы напрекращение аэрации, подачи питательной среды й перемешиаания (йсполнительные механизмы 8, 9, 10), а также сигнал на исполнительный механизм 11 на подачу культуральной среды на сепарацию,Предложенный способ позволяет увеличить выход целевого продукта на 5,4; при гарантированном его качестве,Формула изобретения Способ автоматического управлениябиотехнологическим процессом, предусматривающий измерение содержания кис лорода в отходящих газах и рабочего объемакультуральной среды и регулирование подачи воздуха на аэрацию и подачу питательной среды,отл ич а ю щи й ся тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта, 10 измеряют концентрацию промежуточногопродукта жизнедеятельности микроорганизмов и концентрацию биомассы и по измеренным значениям определяютудельную скорость потребления кислорода,сравнива ют с максимальным значением, устанавлива. ют знак скорости изменения концентрации промежуточного продукта и регулируют скорость перемешивания культуральной среды, при этом регулирование подачи воздуха 20 на аэрацию и скорости перемешиваниякультуральной среды. осуществляют в зависимости от отклонения концентрации про- .межуточного продукта от заданного значения в случае снижения удельной ско рости потребления кислорода ниже макси мального значения и при положительнойскорости изменения концентрации промежуточного продукта, а регулирование подачи питательной средй осуществляют в зависимости 30 от отклонения концентрации промежуточ ного продукта от заданного значения придостижении максимального значения удельной скорости потребления кислорода или при отрицательной скорости изменения концент рации промежуточного продукта, причем. заданное значение концентрации промежуточного продукта выбирают равным значению, соответствующему максимальному выходу целевого продукта при заданном его качестве,1786072 ФиГ. 3 Заказ 227Тираж, ПодписноеВНИЙПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035 Москва, Ж, Раушская наб 4/5 НТ СССР оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород арина,Составитель А;АмелькинРедактор Т.Иванова, Техред М.Моргентал Корректор М.Т