Способ автоматического управления периодическим процессом ферментации

Союз СоветскиаСоциалистическихРесвублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 н 1981966(22) Заявлено 090381 (21) 3288526/28-13с присоединением заявки Нов(23) Приоритет -Опубликовано 15.1 2.8 2, Бюллетень Мо 46Дата опубликования описани я 1 5,1 282 Р 11 М К з С 05 0 27/00 Государстиенный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАЦИИ Изобретение относится к автоматйческому управлению процессами выращивания микроорганизмов, осуществляемыми в несколько стадий в периодически действующих аппаратах, и может быть использовано в производствах химико-Фармацевтической и микробиологической промышленности.Известен способ автоматического определения момента окончания процесса биосинтеза, реализуемый устройством для контроля концентрации продуктов биосинтеза в периодических процессах выращивания микроорганизмов, заключающийся в измерении концентрации продуктов биосинтеза в ферментере через равные промежутки времени, сравнении текущего значения концентрации с запомненным предыдущим значением и при превышении или равенстве последнего текущему .значению концентрации судят об окончании или замедлении процесса биосинтеза 13.Недостаток данного способа заключается в том, что достижение максимальной величины концентрации продуктов биосинтеза в периодических процессах ферментации, включающих процессы выращивания микроорганизмов нескольких ступеней генерации и собственно процесс получения целевого продукта, не всегда соответствует оптимальному окончанию каждогоиз этих процессов, что приводит кухудшению оптимальных условий осуществления процесса получения целевого продукта и, как следствие, кснижению выхода целевого продукта 10 и повышении текущих затрат.Наиболее близким по техническойсущности является способ автоматического управления периодическимпроцессом ферментации, заключающийся в регулировании температуры, расхода воздуха на аэрацию, давления ваппарате каждой стадии в измеренииконцентрации биомассы на первой ивторой стадиях выращивания биомассыи концентрации целевого продукта,регулирования кислотности среды,концентрации растворенного в ней Кислорода на стадии биосинтеза целевого продукта и определении моментаокончания последнего с учетом концентрации продукта и длительностипроцесса 2;Недостатком данного способа управления является то, что не учитывается влияние предшествующих процессов выращивания микроорганизмов ипроцессов последующей технологической стадии производства на осуществление и окончание процесса получения целевого продукта, что приводитк снижению производительности процесса и повышению текущих затрат.Цель изобретения - повышение производительности процесса и снижениезатрат,Поставленная цель достигается тем,что согласно способу автоматического 10управления периодическим процессомферментации, заключающемуся в регулировании температуры, расхода воздуха на аэрацию, давления в аппаратекаждой стадии, в измерении концентрации биомассы на первой и второйстадиях выращивания биомассы и концентрации целевого продукта, регулирозании кислотности среды, концентрации растворенного в ней кислородана стадии биосинтеза целевого продукта, л определении момента окончанияпоследнего с учетом концентрациицелевого продукта и длительностипроцесса, измеряют длительность процесса выращивания биомассы на первойстадии сравнивают с заданным значением и в зависимости от результата. ср=в:-:ения и концентрации биомассы в аппарате корректируют моментокончания процесса первой стадии,определяют удельную скорость ростабиомассы на второй стадии процесса,при этом момент окончания процессавыращивания биомассы на первой стадииустанавливают по достижению максимального значения концентрации биомассы на этой стадии при длительности процесса, не превышающей заданную,на второй стадии - при отрицательномзнаке производной максимальной удель Оной скорости роста биомассы на этойстадии и окончание процесса получения целевого продукта осуществляютпо максимальному значению величиныотношения прибыли, получаемой за 45цикл Ферментации, к длительностипроцесса.На чертеже представлена блок-схема системы автоматического управления периодическим процессом фермен- утации, реализующей данный способ. Система содержит контуры стабилизации температуры, давления и расхода воздуха на аэрацию среды в инокуляторе 1, посевном аппарате 2 и Ферментере 3, контуры стабилизации кислотности среды в ферментере 3 и регулирования концентрации растворенного в ней кислорода; устройство Фиксации момента окончания процесса выращивания биомассы в инокуляторе, включающее датчик 4 концентрации, блок 5 запоминания, блок 6 сравнения, таймер 7, осуществляющий измерение длительности процесса в 65 инокуляторе, связанный с датчиком 4 концентрации, пороговый элемент 8, вход которого подключен к выходу таймера 7, а выход - ко входу логического элемента 9 ИЛИ, выход которого соединен с логическим блоком 10, связанным с командным блоком 11. Выход последнего подключен к исполнительному механизму 12, установленному на линии передачи среды из инокуляра 1 в посевной аппарат 2 и ко входу переключающего реле 13, к другому входу которого подключен блок 14 задания оптимального значе" ния температуры в инокуляре 1.Контур стабилизации температуры в инокуляторе 1 включает датчик 15 температуры, выход которого подключен к переменному входу регулятора 16, к задающему входу которого подключен выход блока 14 задания оптимального значения температуры посредством переключающего реле 13, выход регулятора 16 связан с исполнительным механизмом 17, установленным на линии подачи охлаждающей воды. Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию состоит из датчика18 расхода, подключенного ко входурегулятора 18, выход которого связанс исполнительным механизмом 20, установленным на линии подачи воздухана аэрацию.Контур стабилизации давления винокуляторе 1 содержит датчик 21,подключенный к переменному входу регулятора 22, к задающему входу которого подключен выход командного блока 11, выход регулятора 22 связанс исполнительным механизмом 23, установленным на линии отходящих изинокулятора газов,Устройство фиксации момента окончания процесса выращивания биомассыв посевном аппарате 2 включает датчик 24 концентрации, блок 25 измерения скорости изменения концентрации, подключенный к выходу датчика24, блок 26 деления, один вход которого связан с выходом датчика 24концентрации, а другой вход - с выходом блока 25 измерения скоростиизменения концентрации, блок 27 запоминания, блок 28 сравнения, одинвход которого соединен с выходомблока 26 деления, а другой входподключен к выходу блока 27 запоминания, логический блок 29, вход которого подключен к выходу блока 28сравнения, а выход - ко входу командного блока 30; выход последнегоподключен к исполнительному механизму 31, установленному на линииподачи среды из посевного аппаратав рерментер и ко входу переключающего реле 32, другой вход которогосвязан с блоком 33 задания оптималь-,981966 ного значения температуры в посевном аппарате 2.1Контур стабилизации температуры в посевном аппарате 2 включает датчик 34 температуры, выход которого подключен к переменному входу регу лятора 35, к задающему входу которого подключен выход блока 33 задания оптимального значения температуры посредством переключающего реле 32, выход регулятора 35 связан с исполнительным механизмом 36, установленным на линии подачи охлаждающей воды.Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию состоит из датчика 37 расхода, подключенного к регуля тору 38, выход которого связан с исполнительным механизмом 39, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию.Контур стабилизации давления в посевном аппарате 2 содержит датчик 40, подключенный к переменному входу регулятора 41, к задающему входу которого подключен выход командного блока 30, выход регулятора 41 связан с исполнительным механизмом 42, установленным на линии отходящих из посевного аппарата 2 газов.Устройство фиксации момента окончания процесса биосинтеза в ферментере 3 включает датчик концентрации 43, таймер 44 и блок 45 умножения, подключенные к выходу датчика концентрации 43, первый, второй и третий блоки 46-48 формирования уставки, первый блок 49 и второй блок 50суммирования, подключенные соответственно к выходам блока 45 умножения, первого и второго блоков 46-47формирования уставки, и выходам таймера 44 и третьего блока 48 формирования уставки, выходы первого ивторого блоков 49-50 суммированияподключены ко входу вычислительногоблока 51, служащего для определениявеличины отношения прибыли к длительности процесса, блок 52 запоминанияи блок 53 сравнения, подключенныек вычислительному блоку 51, логический блок 54, связанный с команднымблоком 55, выход которого подключен 50ко входам переключающих реле 56, 57и 58, к другим входам которых подключены блоки 59-61 задания оптимального профиля температуры, концентрации растворенного кислорода и кислотной среды в ферментере 3. Система, реализующая данный способ автоматического управления периодическим процессом ферментации, работает следующим образом.В связи с уменьшением количества питательных веществ, скорость роста биомассы ( например мицелия ) в инокуляторе 1 снижается и в конце процесса становится близкой к нулю, хотя концентрация биомассы продолжает незначительно увеличиваться. Поскольку процесс роста биомассы в инокуляторе 1 является первоначальным в технологической линии стадии ферментации, то задачей в этом случае является накопление максимального количества биомассы за определенное время. Если концентрация биомассы увеличивается, то сигнал от датчика 4 концентрации увеличивается и поступает одновременно в блок 5 запоминания, блок 6 сравб 5 Контур стабилизации температуры в ферментере включает датчик 62 температуры, выход которого подключен к переменному входу регулятора 63, б 0 к задающему входу которого посредством переключающего реле 56 подключен выход блока 59 задания оптимального профиля температуры в ферментере, выход регулятора 63 связан с исполнительным механизмом 64, установленным на линии подачи охлаждающей воды.Контур стабилизации расхода воздуха на аэрацию состоит из датчика65 расхода, подключенного к регулятору 66 стабилизации, расхода воздуха, выход регулятора связан с исполнительным механизмом 67, установленным на линии подачи воздухана аэрацию, и корректирующего контура, включающего датчик 68 концентрации растворенного кислорода, выходкоторого подключен к переменномувходу регулятора 69, к задающемувходу которого посредством переключающего реле 57 подключен выход блока 60 задания оптимального профиляконцентрации растворенного кислорода,выход регулятора 69 подключен ккорректирующему входу регулятора 66стабилизации расхода воздуха.Контур стабилизации рН среды вФерментере включает датчик 70 рН-метра, подключенный к переменному входурегулятора 71, к задающему входу которого посредством переключающегореле 58, подключен выход блока 61задания оптимального профиля кислотности среды в Ферментере, выход регулятора 71 соединен с исполнительныммеханизмом 72, установленным на линии подачи в ферментер 3 титрантаКонтур стабилизации давления вФерментере 3 содержит датчик 73 давления, подключенный к переменномувходу регуля:ора 74, к задающемувходу которого подключен выход командного блока 55, выход регулятора74 связан с исполнительным механизмом 75, установленным на линии отходящих из Ферментера газов.Система содержит исполнительныймеханизм 76, расположенный на линиислива культуральной жидкости из ферментера 3,9819 ббнения и на вход таймера 7, который одновременно с началом измерения концентрации биомассы включается в работу. С помощью блока 6 сравнения происходит сравнение текущего значения концентрации биомассы с результатом предыдущего значения концентрации, измеренной в иной момент времени. Если текущее значение концентрации больше предыдущего, то на выходе блока б сравнения сигнал ра вен нулю. Если при этом преобразованный сигнал, пропорциональный текущей длительности процесса, ниже заданного значения, установленного на пороговом элементе 8, то на его выходе 15 сигнал также равен нулю. При этом сигнал с выхода элемента 9 ИЛИ на вход логического блока 10 не посту- чает.Последний делает вывод о несоответствии длительности процесса в инокуляторе 1 моменту оптимального окончания его. Сигнал на выходе командного блока 11 равен нулю и командный сигнал на переключающее реле 13, на исполнительный механизм 12 и на задающий вход регулятора 22 не поступает. В этом случае продолжается коммутация на задающий вход регулятора 16 температуры выходного сиг- ф нала блока 14 задания оптимального значения температуры и с помощью исполнительных механизмов 17, 20, 23 осуществляется стабилизация на заданном оптимальном уровне темпе ратуры, расхода воздуха на аэрацию и давления в инокуляторе 1. Когда же предыдущее значение концентрации окажется равным или больше текущего значения концентрации биомассы или 40 значение сигнала, пропорционального длительности процесса, превысит заданное значение, установленное на пороговом элементе 8, то на выходе блока 6 сравнения или на выходе по рогового элемента 8 возникает сигнал, который через элемент 9 ИЛИ поступает на вход логического блока 10, который формирует сигнал о целесообразности окончания процесса рос О та биомассы в инокуляторе 1. Выходной сигнал логического блока 10 в этом случае поступает на вход командного блока 11, с выхода которого поступает сигнал на переключение реле 13, которое прекращает коммутации сигнала с выхода блока 14 на задающий вход регулятора 16 и осуществляет коммутацию такого задания регуляторами 16, 19, 22 с выхода командного блока 11, чтобы исполнительные 40 механизмы 17, 20, 23 установились в положения, соответствующие окончанию процесса. При этом с помощью исполнительного механизма 12, установленного на линии подачи среды 35 из инокулятора 1 в посевной аппарат 2, осуществляется передача выращенной биомассы в посевной аппарат 2.Сигнал от датчика 24 концентра-ции в посевном аппарате 2 поступаетодновременно на вход блока 25 измерения скорости изменения концентрации и на первый вход блока 26 деления, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока 25 измерения скорости изменения концентрации. Сигнал, пропорциональный удельной скорости роста, с выхода блока26 деления поступает на входы блока27 запоминания, где запоминаетсяи на вход блока 28 сравнения, гдесравнивается через определенные про- межутки времени с результатом предыдущего значения удельной скоростироста, вычисленной при измеренииконцентрации в иной момент времени.Процесс выращивания мицелия в посевном аппарате 2 предшествует процессу биосинтеза целевого продукта, протекающему в Ферментере . Создание условий, благоприятных для интенсификации продуктообразования в ферментере 3, приводит к необходимости получения на предшествующейстадии выращивания, т,е. в посевном аппарате 2, максимального количества физиологически активного мицелия,Момент достижения максимального количества Физиологически активного мицелия соответствует моменту появления отрицательного знака максимальной удельной скорости роста и является моментом оптимального окончанияпроцесса в посевном аппарате 2. По достижению этого момента происходит старение культуры, что, в свою очередь, приводит к снижению количества Физиологически активного мицелия. При этом если текущее значение удельной скорости роста микроорганизмов больше предыдущего, что соответствует положительному знаку производной, то на выходе блока 28 сравнения сигнал равен нули, При этом логический блок 29 делает вывод о несоответствии длительности процесса моменту оптимального окончания его. Сигнал на выходе командного блока 30 не возникает и сигнал на переключающее реле 32, на задающиеся входы регуляторов 38 и 41 и на исполнительный механизм 31 не поступает. В этом случае с помошью регуляторов 35, 38 и 41 осуществляется стабилизация температуры, расхода воздуха и давления на заданном оптимальном уровне. По мере дальнейшего протекания процесса максимальная удельная скорость ростанезначительно возрастает либо устанавливается постоянной и работа стабилизирующих контуров системы осуществляется по-прежнему.В связи с ухудшающимися условиями развития культуры к.концу процесса выращивания происходит замедление накопления мицеальных клетокВ этом случае определяемое текущее значение максимальной удельной скорости роста оказывается меньше запомненного предыдущего значения. Снижение максимальной удельной скорости эквивалентно отрицательному знаку результата сравнения двух последовательно сравнимых сигналов в блоке 28 сравнения, на выходе которого возникает дискретный сигнал, поступающий на вход логического блока 29, который делает вывод об отрицательном знаке производной максимальной удельной скорости роста. Выходной сигнал логического блока 29 поступает на вход командного реле 32, который прекращает коммутацию сигнала с выхода блока 33 на задающий вход регулятора 35 и осуществляется коммутация такого задания регуляторами 35, 38 и 41 и сигнала на исполнительный механизм 31 с выхода командного блока 30, чтобы исполнительные механизмы 36, 39 и 42 установились в положения, соответствующие окончанию процесса, а с помощью исполнительного механизма 31 осуществляется передача засевной биомассы из посевного аппарата 2 в ферментер 3.Значение концентрации целевого продукта, измеряемой в ферментере 3 датчиком 43, поступает на вход блока 45 умножения, где умножается на коэффициент, учитывающий степень заполнения аппарата. Одновременно с началом осуществления процесса биосинтеза запускается таймер 44, изменяющий длительность процесса биосинтеза в ферментере. Сигнал, пропорциональный длительности процесса, и сигнал, пропорциональный времени подготовки ферментера 3 к работе, поступающий с выхода блока 48 формирования уставки, поступают на вход блока 50 суммирования, выходной сигнал которого, пропорциональный суммарному времени цикла ферментации, поступает на один из входов вычислительного блока 51, на другой вход которого поступает сигнал с выхода блока 49 суммирования. На входы блока 49 суммирования поступают сигнал, пропбрциональный количеству целевого продукта, с выхода блока 45 умножения и сигнал, пропорциональный потерям целевого продукта на последующих стадиях, технологического процесса, с выхода блока 46 формирования уставки, и сигнал, учитывающий затраты с выхо 10 15 20 25 30 35 ао 45 50 55 60 65 да второго блока 47 формирования,уставки. Поступающие сигналы алгебраически суммируются в блоке 49 суммирования, а выходной сигнал этого блока, пропорциональный величине прибыли, поступает на вход вычислительного блока 51. Сигнал с выхода последнего поступает на вход блока 52 запоминания, где запоминается, и на вход блока 53 сравнения, где сравнивается с результатом предыду-щего вычисления, выполненного при измеренной концентрации в иной момент времени процесса ферментации. Если текущее значение отношения больше предыдущего, то на выходе блока 53 сигнал равен нулю. При этом логический блок 54 делает вывод о несоответствии длительности процесса биосинтеза моменту оптимального окончания его. Сигнал на выходе командного блока 55 равен нулю и сигнал на переключающие реле 56, 57, 58 не поступает. Последние продолжают коммутацию выходного сигнала блоков 59, 60 и 91 на задающие входы регуляторов, которые с помощью исполнительных механизмов 64, 67 и 72 осуществляют поддержание температуры, концентрации растворенного кислорода и кислотности среды в ферментере 3 на оптимальном уровне.Когда же предыдущее значение отношения окажется равным или больше текущего значения отношения на выходе блока 51, то на выходе блока 53 сравнения возникает сигнал, поступающий на вход логического блока 54, который делает вывод о достиже" нии максимального значения величины отношения. Выходной сигнал логического блока 54 поступает на вход командного блока 55, который выдает сигнал на переключение реле 56, 57 и 58, которые в этом случае прекращают коммутацию сигнала с выхода блоков 59, 60 и 61 на задающие входы регуляторов 63, 69, 71 и осуществляют коммутацию такого задания регуляторам 63, 69, 71 и 74 с выхода командного блока 55, чтобы исполнительные механизмы 64, 67, 72, 75 установились в положения, соответствующие окончанию процесса. Например, с помощью исполнительного механизма 64 прекращается подача охлаждающей воды, с помощью исполнительного механизма 67 прекращается подача воздуха на аэрацню, с помощью исполнительного механизма 71 прекращается подача среды, регулирующей кислотность культуральной жидкости в ферментере 3, а с помощью исполнительного механизма 75 осушествляется блокировка аппарата от окружающей среды. При этом сигналом с выхода блока 5512 981966 1 О Формула изобретения 25 30 ИИПИ Заказ 9710/67 Тираж 914 иал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 включается исполнительный механизм 76 олива культуральной жидкости из ферментера 3.Использование данного способа автоматического управления периОдическим процессом ферментации позво 5 лит повысить производительностьпроцесса на 2 и снизить текущие затраты. Способ автоматического управления периодическим процессом ферментации, заключающийся в регулировании температуры, расхода воздуха на азрацию, давления в аппарате каждой стадии, в измерении концентрации биомассы и на первой и второй стадиях выращивания биомассы и концентрации целевого продукта, регулировании кислотности среды, концентрации растворенного в ней кислорода на стадии биосинтеза целевого продукта и определении момента окончания последнего с учетом концентрации целевого продукта и длительности процесса, о т л и ч а ю щ и й - с я тем, что, с целью повышения производительности процесса и снйжения затрат, измеряют длительност,процесса выращивания биомассы напервой стадии, сравнивают с заданнюзначением и в зависимости от резуль.тата сравнения и концентрации биомассы в аппарате корректируют моментокончания процесса первой стадии,определяют удельную скорость ростабиомассы на второй стадии процесса,при этом момент окончания процессавыращивания биомассы на первой стадии устанавливают по достижениюмаксимального значения концентрациибиомассы на этой стадии при длительности процесса, не превышающей заданную, на второй стадйи - при отрицательном знаке производной максимальной удельной скорости роста биомассы на этой стадии и окончаниепроцесса получения целевого продукта осуществляют по максимальномузначению величины отношения прибыли,полуЧаемой эа цикл ферментации, кдлительности процесса. Источники информаци,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р 467099, кл. С 12 М 1/36, 1975,2. Авторское свидетельство СССР Р 819800 , кл. С 05 О 27/00, 1979,