JP2622024B2 - 発酵槽の制御方法 - Google Patents

発酵槽の制御方法

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淳一 堀内
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久司 宮川
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発酵槽の制御方法、さらに詳しくは経時的あ
るいは培養状態に応じて異なる制御を行う、培養系にお
ける計算機を利用したファジープロダクションルールに
より培養フェーズの推定とその培養フェーズに対応した
制御方法を行わせる方法とからなる発酵槽の制御方法に
関する。
〔従来の技術〕
従来、発酵槽の自動制御においては、pH,DO,温度等の
各項目について定値制御、あるいは予めプログラムされ
た制御を実行するプログラム制御が行われていた。ま
た、発酵槽の培養状態を考慮して制御方法を決定する必
要がある場合には、運転員が現場で計測分析結果等に基
づき培養状態を判定し、適宜制御を行っていた。
しかし、上記定値制御やプログラム制御のみで運転す
ることは培養状態の変化に対する適切な判断方策の追加
を行うことができず、常に運転員による補正を適時行う
必要があった。また、運転員によるそのような制御方策
の決定は運転員の経験又は実績に基づいて行われている
ため、自動制御系にそれらを反映し、自動制御化するこ
とは非常に困難であった。さらに、詳しくは、一般に発
酵槽の運転において、まず計測データ、経過時間、外観
等から培養状態が異常か正常か、又は培養経過全体の中
でどのような状態にあるかを判断し、その判断に基づき
制御方法を決定していた。しかしながら、例えば誘導
期、対数増殖期等のような人間の思考方法に沿った情報
は従来は制御系に取り込むことが難しく、多くは無視さ
れたため、発酵槽の自動制御を困難なものにしていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的と
するところは発酵槽の自動制御を行うことにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、これらの問題を解決するために種々検
討した結果、培養槽内の培養の状態を各種センサーによ
り検出し、その測定結果を電子計算機に取り込み、前記
測定値を基にファジープロダクションルールを用いて培
養フェーズの推定を行い、推定されたフェーズに対応し
て予め準備されている制御方法を実行することにより、
直接オンライン測定をできない項目を一定に保持するこ
と、あるいは目的生産物を最大にすることを可能にした
ものである。
即ち、本発明は、発酵槽の培養条件を制御する方法に
おいて、予め培養経過を培養状態を示す複数のフェーズ
に分割すると共に、分割した各フェーズに対応する制御
方法を定めておき、培養時において培養槽から取り込ん
だ培養槽の状態を示すデータに基づいてファジープロダ
クションルールにより培養中のフェーズを同定すると共
に、同定したフェーズに対応する予め定めた制御方法を
実行するものである。
また、本発明は同定されたフェーズに対応した、詳し
くはその時点の各フェーズの重みに応じた加算的な、又
は個別併行的な制御方法を運転者により、又は好ましく
は電子計算機によりオンラインで行なうものである。
以下、図面を参照して本発明をさらに詳細に説明す
る。
第1図は本発明の一実施態様を示すフローシートであ
る。即ち、培養槽1において通常の方法により培養を行
う場合につき例示すると、培養槽1内などのpH,DO、温
度等の測定値を培養槽1などに取り付けたセンサー類9
からインターフェース4を経由してモニター用計算機3
に取り込む。モニター用計算機3に取り込んだ測定値は
ファジー制御用計算機2に送り込まれる。ファジー制御
用計算機2では、これらの測定値等の情報に基づいてフ
ァジー推論を行い培養フェーズの推定を行う。次いで、
このようにして決定された、複数であることもある培養
フェーズに対応する、予め定めた制御方法の指令を各制
御機器に送出する。本例においては、制御の指令は培地
供給ポンプ6及び栄養源供給ポンプ8に送られ、それぞ
れの供給量の制御が行われる。これにより、培地タンク
5及び栄養源タンク7中の培地及び栄養源が定められた
供給速度で培養槽1に供給される。ここでグルタミン酸
発酵の場合にはセンサー類9で測定する項目は温度、p
H、DO、CO2発生速度、アンモニア添加速度などであり、
培地タンク5にはグルコース、栄養源タンク7にはアン
モニア水が仕込んである。
本実施例においては、計算機(パーソナルコンピュー
タ)を2台用いて制御を行っているが、1台のマルチタ
スクのコンピュータを用いて制御を行うこともできるも
のである。
また、本実施例におけるファジー制御用計算機2にお
ける機能はファジー推論による培養状態の推定と、それ
に基づく制御方法の決定と、決定に従う制御指令の発信
とにある。即ち、培養状態のフェーズ推定方法として、
まず一連の培養経過をいくつかの培養状態(フェーズ)
に分割する。例えば、誘導フェーズ、増殖フェーズ、遷
移フェーズ、生産フェーズ等のように対象とする培養系
の特性に応じて分割し、その各々に対して予め制御方法
を割当てておく、そして、培養時においては、培養の各
時点における培養槽の状態の計測値(センサー出力)を
用いてファジープロダクションルールにより、フェーズ
の推定を行い、推定したフェーズに対応した制御方法を
決定するものである。用いるプロダクションルールの一
例として、グルタミン酸発酵の場合には、以下のように
してフェーズを決定する。即ち、 『もし、 培養時間; 中 CO2発生速度; 中 NH3供給速度; 中 ならば、 現時点; 生産フェーズ である。
生産フェーズでは、下記式 グルコース供給速度=(a)×(NH3添加量)+(b) (但、a,bは定数) により、グルコース供給速度を決定する。』 上記のようなルールを各フェーズ毎に用意しておき、
培養時間、CO2発生速度、NH3供給速度等のデータよりフ
ェーズ推定をMIN−MAX演算により行うものである。
これらの推論は通常のパーソナルコンピュータで数秒
以内で実行することができ、これに基づき制御方法の変
更を数分間隔で行うことを可能とするものである。
また、制御方法は計算機によりオンラインで実行する
ことが応答の速さを高め、頻度を増すことができて望ま
しいが、培養量、その他の条件によっては制御指示を作
業者によって行なっても良い。
本例においては、培養経過を誘導フェーズ、増殖フェ
ーズ、生産フェーズ等に分割して発酵の進行をとらえ、
便宜上これらの各フェーズに運転操作や制御方法を割当
てて運転を行っているが、本例に限られず種々の培養系
に適用できるものである。即ち、上記グルタミン酸発酵
以外にも枯草菌、こうじ菌による酵素生産や動物細胞培
養における生産活性物質の生産、放線菌等による抗生物
質生産にも必要に応じこれらに対応する各種フェーズを
設定して適用できる。
〔実 施 例〕
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実施例1 第1図に示す装置を用いてグルタミン酸発酵を行っ
た。培養系は、培養槽1に培地供給ポンプ6によって炭
素源としてグルコースを、栄養源供給ポンプ8によって
窒素源としてアンモニア水を供給し、培養槽1内のBrev
ibacterium SP.によるグルタミン酸発酵の流加培養であ
る。本培養系では、培槽槽1においてグルタミン酸の高
濃度生産を行うため、グルコース濃度を約25g/の一定
値に保つように培地供給ポンプ6によるグルコースの供
給速度を調整する運転を行っているが、グルコース濃度
の直接測定が困難なため、従来自動化が難しかったもの
である。
本実施例においては、ファジー推論を基にフェーズ分
割を行うことにより培養槽1のグルコース濃度をほぼ一
定に保つ運転を行うことができた。
即ち培養槽1および栄養源タンク7からの計測データ
をセンサー類9を通じてインターフェース4を介しモニ
ター用計算機3に取り込み、培養状態のモニターを行
い、さらにそのデータをファジー制御用計算機2に送信
し、制御方法を決定し、培地(グルコース)供給ポンプ
を調節し、グルコース濃度を一定に保った。
ファジー制御用計算機2においては、まず本培養系の
培養状態を誘導フェーズ、増殖フェーズ、遷移フェー
ズ、及び生産フェーズに予め分割し、それぞれのフェー
ズにおける制御方法、即ちグルコースの添加量を定め
た。即ち、ファジー推論で培養フェーズの推定を行った
後、グルコース供給速度=(a)×(NH3供給速度)+
(b)の式でグルコースの供給速度を算出した。なお、
a,bの値は各フェーズにおける適当な値を統計的に求め
た。
培養状態の同定は、培養時間、CO2発生速度、NH3供給
速度から推定することとした。例えば、 『培養時間;小 CO2発生速度;小 NH3供給速度;小』 ならば、現時点;誘導フェーズのようにファジープロダ
クションルール化し、プログラミングして計算機制御に
適用した。なお、この推論は3分毎にファジー制御用計
算機2で行い、決定された供給速度になるようにその都
度グルコース供給ポンプ6を制御した。
以上の方法によって、第2図に示すように誘導フェー
ズから始まり、増殖フェーズ、遷移フェーズ、生産フェ
ーズと各フェーズの制御への移行がスムーズに行えた。
この場合グルコースの濃度をほぼ一定に保つことに成功
した。なお、図の上部の横軸は時間の経過と共に、どの
ルールを適用したかを示した(斜線部)ものである。交
差斜線部が各フェーズの典型領域で、その前後の一方向
斜線部は左側は立ち上り、右側は漸次そのフェーズは衰
えて消滅していく領域である。従って2以上のフェーズ
が重複した時間体では、各フェーズに対応する制御が、
夫々のフェーズがそこでもつ、いわばウエイトに従って
合算された形で実行される。
実施例2 第1図に示す装置を用いてグルタミン酸発酵を行っ
た。培養系は、培養槽1に培地供給ポンプ6によって炭
素源としてグルコースを、栄養源供給ポンプ8によって
窒素源としてアンモニア水を供給し、培養槽1内のBrev
ibacterium SP.によるグルタミン酸発酵の流加培養であ
る。培養条件の例として、容量5(有効容量3)、
タービンタイプの撹拌翼を備えた培槽槽を用い、温度30
℃、pH7〜8、撹拌数500〜600rpm、通気量1VVM(1−
エア/・分−液)の条件で、初発グルコース濃度を25
g/に保つように500g/のグルコース溶液を流加する
場合を考えた。本培養系では、培槽槽1において、グル
タミン酸の高濃度生産を行うため、グルコース濃度を約
25g/の一定値に保つように培地供給ポンプ6によるグ
ルコースの供給速度を調整する運転を行っているが、こ
れは従来はグルコース濃度の直接測定が困難なため、自
動化が難しいものであった。
比較列 実施例2と同一条件でグルタンミン酸発酵を行った。
但し、ファジー制御用電子計算機は使用せず、センサー
の測定値に基づいて運転者が培地供給ポンプ6の供給量
を判断し、制御した。結果を第3図に示した。比較例の
場合には、ファジー制御用計算機を用いた本実施例の場
合と比較して、グルコース濃度の変動が大きく、その結
果生成したグルタミン酸の濃度は約半分であった。
〔発明の効果〕
本発明により、従来運転者自らが培養状態を判定し
て、かつそれに基づき制御状態を決定していた運転方法
を培養状態の判定をフェーズ分割により計算機を行わ
せ、かつそれに基づき、予め定めておいた制御を実行す
ることが可能となり、経験のすくない運転者によっても
確実性の高い制御が可能となり、また勿論自動制御を行
うことができるようになった。また、運転者のノウハウ
をファジープロダクションルールの形で取り込むこと
で、直接測定できない項目(例えば、基質濃度等)を一
定に保ったり、目的生産物を最大にする操作を容易に行
うことができるようになった。
また、ファジー推論を適用するため、発酵槽における
各培養フェーズ間の制御方法の移行がスムーズに行え、
発酵槽の運転がスムーズに行える。
さらに、本方法によれば、運転者が一部運転を行う場
合においても、運転者の判断が容易になる利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施態様を示すフローシート、第2
図は本発明の実施例におけるグルタミン酸発酵の経時変
化、及び制御の状態を示す説明図、第3図は比較例の結
果を示すグラフである。 1……培養槽、 2……ファジー制御用計算機(パーソナルコンピュー
タ)、 3……モニター用計算機、 4……インタフェース、 5……培地(グルコース)タンク、 6……培地供給ポンプ、 7……栄養源(アンモニア)タンク、 8……栄養源供給ポンプ、 9……各種センサー・メーター(pH、重量、DO、温度
等)。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発酵槽の培養条件を制御する方法におい
    て、予め培養経過を培養状態に示す複数のフェーズに分
    割すると共に、分割した各フェーズに対応する制御方法
    を定めておき、培養時において培養槽から取り込んだ培
    養槽の状態を示すデータに基づいてファジープロダクシ
    ョンルールにより培養中のフェーズを同定すると共に、
    同定したフェーズに対応する予め定めた制御方法を実行
    することを特徴とする発酵槽の制御方法。
  2. 【請求項2】発酵槽の培養条件が液相である請求項1記
    載の発酵槽の制御方法。
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