Система управления процессами выращивания микроорганизмов

(5)М. Кл. С 12 М 1/00 Гоеудеротеенанй квинтет СССР ао делан изобретений н открытий(088. 8) Дата опубликования описания 30.08.81(54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ВЫРАЩИВАНИЯ МИКРООРГАН 11 ЗМОВ Изобретение относится к выращиванию микроорганизмов и может быть ис"пользовано в сельском хозяйстве. Йзвестны сис 1 амы автоматического управления процессами выращивания микроорганизмов, включающие датчики измерения параметров культивирования, регуляторы и исполнительные механизмы, блоки измерения концентрации биомассы 1Однако в известных системах управ 10. ления выращиванием микроорганизмов контроль и регулирование микробиологических процессов осуществляют по вторичным косвенным показателям раз 15 вития микробных клеток. измерение рН среды, потребление кислорода, концентрация продуктов биосинтеза, концентрация биомассы. Поэтому точность регулирования процессами выращивания20 микроорганизмов недостаточно высокая.Известна также система управления процессами выращивания микроорганизмов, включающая датчики и измерители параметров выращивания (температуры, рН, аэрации), блок определения общей концентрации биомассы и блок определения ее прироста в единицу времени, блок измерения концентрации живых микроорганизмов и блок определения их прироста в единицу времени, блок определения состава компонентов питательной среды, регуляторы и исполнительные механизмы, вычйслительный блок контроля и управления с блоком отработки. управляющих сигналов и блоком реализации адаптивной модели на вход которого подключены датчики, а выход через блок отработки управляю" щих сигналов подключен к задающим входам регуляторов Г 21.Недостатками этой системы являются то, что, во-первых, используемые в системе блоки и схема их включения обеспечивают регулирование микробиологического процесса по вторичным косвенным показателям развития и жизнедеятельности микроорганизмов, Во 859436вторых, определение состояния развития культуры по вторичным косвеннымпоказателям, а также ведение процесса по расчетным характеристикам,заложенным в блок реализации адаптивной модели в виде математической функциональной зависимости, не обеспечивает достаточно точное и оптимальноерегулирование микробиологическогопроцесса. Математическая функциональ 1 Оная зависимость развития микроорганизмов и переменных взаимосвязанныхпараметров выращивания до настоящеговремени еще не установлена с достатоЧной точностью, Поэтому данная15функциональная зависимость описывается очень приближенными упрощеннымиматематическими выражениями, не обеспечивающими значительное количествофакторов выращивания,Вторичные и косвенные показателипроцесса выращивания микроорганизмоввзаимосвязаны и оказывают влияние 50 друг на друга по сложным, до конца не установленным зависимостям. Например, температура среды влияет на рН и концентрацию растворенного кислорода и другие факторы культивирования.Кроме того, известная система управления выращиванием не обеспечивает условий сохранения максимального количества живых микробных клеток, что имеет большое значение, например, при производстве живых вакцин.Цель изобретения - повышение точности и эффективности процесса регулирования и оптимизация процессов выра" щивания микроорганизмов.Укаэанная цель достигается тем, что система снабжена блоком определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации общей биомассы, на вход которого подключены блок определения концентрации биомассы и блок определения. концентрации живых микроорганизмов, причем выходы блока определения отношения концентрации живых микроорганизмовк концентрации биомассы, блока определения прироста концентрации живых микроорганизмов и блока определения прироста биомассы в единицу времени подключены на вход блока реализации адаптивной модели.Таким образом, устанавливается Обратная связь регулирования параметров 55 выращивания и состояния питательной среды с блоком управления сигналов и, блоком реализации адаптивной модели. посредством датчиков и блоков контроля развития, роста микроорганизмов, т,е, блоков определения концентрации живых микроорганизмов, концентрации биомассы и их прироста в единицу времени.На фиг,1 изображена принципиальная схема предлагаемой системы управления процессом выращивания микроорганизмов; на фиг.2 - график развития культуры микроорганизмов во времени,Система содержит ферментер 1, вычислительный блок 2 контроля и управления, имеющий блок 3 реализации адаптивной модели и процесса и блок 4 отработки управляющих сигналов, причем вход этого блока подключен к выходу блока 3 реализации.Система содержит контуры контроля и управления температурой, аэрацией и рН среды, а также составом питательной среды.Контур управления температурой, включает датчик 5 температуры, выход которого соединен с входом преобразователя 6 сигналов, выход которого подключен ко входу регулятора 7, связанному с блоком 4 отработки управляющих сигналов и исполнительным механизмом 8, установленным на линии; охлаждающая вода.Контурфуправления аэрацией содержит датчик 9 расхода воздуха, выход которого соединен со входом преобразователя 10 сигналов, подключенного к входу регулятора 11 расхода, связанному с блоком 4 отработки управляющих сигналов и исполнительными механизмами 12 и 13, установленньни на линиях: вход и выход воздуха на аэрацию.Контур управления рН среды включает датчик 14, подключенный через преобразователь 15 сигналов ко входу регулятора 16, подключенного, в свою очередь, к блоку 4 отработки управляющих сигналов и исполнительному механизму 17, установленному на линии подачи в ферментер 1 веществ, регулирующих рН среды, например, кислоты или щелочи. Расход воздуха на аэреацию определяется датчиком 18, выход которого соединен с показывающим прибором 19 и сигнальным прибором 20. Выход сигнала с прибора 20 подводится к регулятору 11 расхода и исполнительным механизмом 12 и 13.5 81Контур управления составом питательной среды содержит датчик 21 состава питательной среды, подключенный к выходу измерителя 22, выход которого подключен к преобразователю 23 сигнала, связанному с регулятором 24 состава компонентов питательной среды, выход которого подключен к блоку 4 отработки упавляющих сигналов и исполнительному механизму 25 установленному на линии: подача компонентов питательной среды,Контур контроля развития и роста микроорганизмов включает датчик 26 концентрации живых микроорганизмов и датчик 27 концентрации биомассы. Датчик 26 концентрации живых микроорганизмов соединен с измерителем 28 концентрации живых микроорганизмов, выход которого подключен на вход блока 29 определения прироста концентрации живых микроорганизмов в единицу времени, Датчик 27 общей концентрации биомассы подключен на вход блока 30 измерения общей концентрации биомассы, выход которого подключен на вход блока 31 определения прироста биомассы в единицу времени.Блок 28 измерения концентрации живых микроорганизмов и блок 30 измерения общей концентрации биомассы подключены на вход блока 32 определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации общей биомассы, выход которого подключен на вход блока 3 реализации адаптивной модели.На вход блока 3 подключены также выходы датчиков 5 температуры,рН 14, расхода воздуха 9, состава питательной среды 21 выходы блоков 28 определения концентрации живых микроорганизмов и 29 определения прироста их в единицу времени, блоков 30 определения концентрации биомассы и 31 определения прироста ее в единицу времени.С.гстема работает следующим образомм.В блоке 3 реализации адаптивной модели закладывают математическое функциональное параметрическое описа" ние процесса культивирования микроорганизмов, в котором предусмотрено выведение условий и режимов культивирования на оптимальный уровень при использовании в качестве определяющего параметра отношение концент"59436 25 30 5 10 15 20 6рации жйвых микроорганизмов к общей концентрации биомассы, которое должно быть максимальным и близким к единице при одновременном сохранении максимального прироста концентрации живых микроорганизмов и биомассы в единицу времени, В блоке 3 реализации адаптивной модели задают оптимальные параметры культивирования для данного вида микроорганизмов по стадиям развития во времени.Далее ,ерментер 1 заполняют культу- ральной средой с микроорганизмами и начинают процесс выращивания, Параметры процесса выращивания измеряют датчиками температуры 5, рН 14, расхода воздуха 9, состава компонентов питательной среды 21,В процессе выращивания микроорганизмов определяют развитие и рост их по приросту концентрации живых микробных тел (датчик 26), общей концетрацией биомассы (датчик 27),а .также определяют отношение концентрации живьгх микроорганизмов к концентрации биомассы в блоке 32Сигналы с датчиков температуры 5, рН 14, расхода воздуха 9, концентрации живых микроорганизмов 26, концентрации общей биомассы 27 через измерительные блоки и блоки преобразования сигналов поступают в блок3 реализации адаптивной модели. Приотклонении величины отношения концентрации жквьгх микроорганизмов кконцентрации общей биомассы от максимального значения (величина отношения концентрации определяется в блоке 32) с блока 32 поступает сигнална вход блока 3, В блоке 3 реализации адаптивной модели определяются имеющие место отклонения параметровкультивирования или содержания компонентов питательной среды. В случаеналичия отклонений с блока 3 поступает команда в блок 4 отработки управляющих сигналов и г этого блока 4 поступают команды по линиям связи на соответствующие регуляторы. Регу" ляторы с помощью соответствующихисполнительных механизмов устанав" ливают подачу воздуха на аэрацию(исполнительный механизм 12 и 13),температуру (исполнительный механизм 8), рН (исполнительный механизм17), состава питательной среды (испол"нительный механизм 25) на уровень,обеспечивающий оптимальное развитие микроорганизмов. При этом отношение .концентрации живых микроорганизмовк концентрации биомассы приводитсяк максимально возможному значению,приблизительно равному единице, априрост концентрации живых микроорганизмов в единицу времени становится положительным,На фиг.2 по вертикальной оси отложены концептрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы в клет Оках/мл, а по горизонтальной оси -время культивирования в часах.Кривая 1 измерения концентрацииживых микроорганизмов и кривая 2 измерения концентрации биомассы при 15соблюдении оптимальных условий выращивания примерно совпадают.3 пределе культивирования (7-8 ч)в результате создания неблагоприятных условий (отклонения параметровот оптимального значения или состава питательной среды) происходит отклонение кривой 1 (фиг,2) концентрацииживых микроорганизмов и,следовательно,отношение концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассытакже отклоняется от максимальногозначения, а прирост концентрации живых микроорганизмов в единицу времени отрицательный при этом концентра- З 0 ция биомассы, как величина более стабильная,изменяется незначительнопо сравнению с концентрацией живых микроорганизмов. Последние более чувствительны к изменениям условий культивирования, концентрация их изменяет 35 ся значительно при неблагоприятных условиях. Концентрация же биомассы сохраняет свое значение хотя бы потому, что часть погибших микробных клеток какое-то время находится в среде,40 не разрушаясь, создавая ошибочную ви, димость (как это происходит в известных системах) благопопучия и параметров культивирования.45 Сигналы с датчика 2 б концентрации живых микроорганизмов и датчика 27 концентрации биомассы через блоки 28 и 30 измерения, а также сигнал с блока 32 определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы поступают в блок 3 реализации адаптивной модели, в ко торой производится анализ и определе 55 ние режимов и условий выращивания, существующих в данный момент времени в ферментере 1, решается функциональндч зависимость, описывающая развитие микроорганизмов, и определяются задания регуляторам.По команде с блока 3 в блок 4 отрабатываются управлянлпие сигналы,которые через регуляторы поступаютна исполнительные механизмы, Последние корректируют параметры выращивания и состав питательной среды дотех пор, пока в ферментере 1 не установятся условия, наиболее благоприятные для развития и роста культурына данной стадии выращивания, приэтом показания датчика 26 концентрации живых микроорганизмов и датчика27 концентрации биомассы становятсяпримерно равными, а отношение концентрации живых микроорганизмов кконцентрации биомассы, определяемоев блоке 32, возрастает до максимального значения, Кривые (фиг,2) концентрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы после установленияоптимальных условий концентрированияснова почти совпадают, а прирост концентрации живых микроорганизмов ибиомассы в единицу времени становится положительным,Таким образом, в предлагаемой системе используется в качестве параметра оптимизация процесса выращивания микроорганизмов наиболее объективный чувствительный и точный показатель - развитие и размножение микроорганизмов в ферментере, Использование датчиков и блоков измерения концентрации живых микроорганизмов и концентрации биомассы, а также блокаизмерения отношения этих концентрацийпозволяет проводить оптимизацию микробиологического процесса с большей точностью и высокой эффективностью искоростью 1 выводить на оптимальный уровень одновременно целый ряд парамет,ров выращивания.Основным преимуществом предлагаемой системы перед известными является то, что процесс регулирования проводится не по вторичным косвеннымпоказателям развития микроорганизмов,а по первичным, а именно по росту иразвитию самих микроорганизмов (микробных клеток). Формула изобретенияСистема управления процессами выращивания микродрганизмов, вклнчающая датчики и измерители параметров выращивания (температуры, рН, аэрации), блок определения общей концентрации8594 1 О 15 20 биомассы и блок определения ее при -роста в единицу времени, блок измерения концентрации живых микроорганизмов и блок определения их прироста в единицу времени, блок определения состава компонентов питательнойсреды, регуляторы и исполнительныемеханизмы, вычислительный блок контроля и управления с блоком отработки управляющих сигналов и блокомреализации адаптивной модели, навход которого подключены датчики,а выход через блок отработки управляющих сигналов подключен к задающим входам регуляторов, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с цельюповышения точности и эффективностипроцесса регулирования и оптимизации процесса выращивания микроорганизмов, система снабжена блокомопределения отношения концентрацииживых микроорганизмов к концентра -36 1 Оции общей биомассы, на вход которого подключены блок определения концентрации биомассы и блок определения концентрации живых микроорганизмов, причем входы блока определения отношения концентрации живых микроорганизмов к концентрации биомассы, блока определения прироста концентрации живых микроорганизмов и блока определения прироста концентрации биомассы в единицу време- ни подключены на вход блока реализации адаптивной модели. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Труды ВНИИБиотехника. Вып, 1,1972, с.35-43.2, Авторское свидетельство СССРФ 488847, кл. С 12 В 1/08, 1972., д. 4/5 ал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Мнценггрвцця жидч ицркраниэню 3,ЮЛютою(нМ аказ 7472743 ВНИИПИ Госуд по делам 113035, МосквТираж 528 рственного зобретений и , Ж, Рауш митет откры кая н