JPH04148674A

JPH04148674A - 固体培養装置の制御装置

Info

Publication number: JPH04148674A
Application number: JP2274389A
Authority: JP
Inventors: Sakae Tanaka; 栄田中; Akio Fujiwara; 藤原　章夫; Yoshinari Fujiwara; 藤原　善也
Original assignee: Fujiwara Jiyouki Sangyo Kk
Current assignee: Fujiwara Jiyouki Sangyo Kk
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 1992-05-21
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JP3089260B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野１本発明は、固体培養装置、例えば製麹、酵素製剤のため
の培養、抗生物質製造等に用いられる培養装置の培養条
件を熟練者の勘等に頼ることなく、最適化する自動制御
装置に関する。

【従来の技術］固体培養装置の従来の制御方法は、例えば醤油麹の例で
説明すると１次のようである。 ■送風温品温が品温曲線通りになるようにするために、予め設定
された風温曲線通りに送風量を制御する。 ■送風量麹の発熱量は時期によって異なるので時間設定により送
風量を変更して行う。固体培養装置の培養条件を制御するには、その時点にお
ける培養の状態を把握しなければならない。しかしなが
ら、培養の状態を認識する手段として、産業レベルでは
基質品温を測定すること以外、有効な手段は開発されて
いなかった。例えば。Ｃ０２の発生量の測定により培養条件を制御しようとす
る試み等もあるが、ＣＯ２発生量の正確な測定は産業レ
ベルでは非常に難しい。一方、基質の品温は測定箇所によって異なる場合が多い
。例えば１通風により除熱して品温を制御する固体培養
装置においては、通風入口に近い基質の品温と出口付近
の基質品温は必ず異なる。また、通風における抵抗の多寡により除熱量は異なり、
したがって装置内の場所により抵抗の多寡による品温差
が生じる。以上のことから、品温の測定値は、培養の状態を正確に
表わしているとはいい難い、しかしながら他の有効な手
段がなかったため、ＷＪ易的に品温の測定値のみによっ
て制御することが主体で、これまでの固体培養は行われ
ていた。以上の難点を解決するために、味噌の製麹は回転式タン
クのＨ１ｌｌ装置をロードセルで重量を測定しながら空
気調整及びタンク回転を制御することが特公昭６２−６
４９号で提案されている。それには重量変化により製麹
条件を制御するとしている。しかしながら、その内容は
基質重量の変化に応じた基質撹拌時期の設定、及び空調
機の温度変更の大まかな時期の設定を行うものである。温度調節と麹撹拌とを予め決められたプログラムに従っ
て正確な時期に適正時間だけ実施する、つまり、重量変
化に応じた温度（湿度）、撹拌時期のプログラム制御で
ある。そこで、ある重量の点から相当量離れた重量の点
までの間は、その間の重量変化量や到達時間とは関係な
く、他に予めプログラムされた温度情報によって温度調
節が行われるのである。しかし、希望する培養時間と培養基質重量変化との関係
を示す重量設定曲線通りには重量が変化しない、これは
、重量変化により常時培養の状態を認識して、それに対
応する培養条件を設定しているわけではないからである
。このように、従来のＰＩＤ制御を主体とした培養条件の
制御では１重量変化に応じた細かい培養条件の設定は不
可能であるということである。したがって産業レベルで
は味噌の製麹の分野でさえ、上記特公昭６２−６４９号
に係る制御方法は実用化されていなかった。【発明が解決しようとするｖＩＡ題１培養基質の重量変化は、微生物の代謝による基質重量及
び水分蒸発による基質重量の変化の和として表われる。したがって基質の重量は培養状態と非常に高い相関をも
っており、重要な要因となる。そこで、この重量変化を
培養条件の設定に大きく関与させたいが、上述のとおり
従来のＰＩＤ制御では不可能であった。このように、重量設定曲線通りになるように制御をした
いということは、ある時点において予め定められた重量
設定値になるように温湿度を制御したいということであ
るが、従来のＰＩＤ制御では実現が非常に難しいことが
種々の実験より判明した。また、プロセスの状態方程式
を求め、それを用いて評価基準との誤差が最小となるよ
うに操作量を決める最適制御は固体培養においては状態
方程式を求めることが難しい。【課題を解決するための手段】そこでファジィ制御によるこの発明を完成させた。培養
基質を含む固体培養装置を重量センサで測定しく空調機
等も含めた重量測定でもよい）、それによって得られた
重量値、またはその変化量を（装置を含めた値でも、そ
れを減算した実質基質重量値でもよい）少なくとも入力
値の１つとするファジィ推論によって得られた制御出力
によって培養条件を設定する制御装置を開発したのであ
る。すなわち、培養基質を含む固体培養装置（１）の重量を
測定する重量センサ（６）と、重量センサから得られた
重量値またはその変化量を入力値の１つとするファジィ
推論装置（２０）と、ファジィ推論装置の出力値により
固体培養装置（１）の培養条件を操作する制御手段（２
１）とを有する固体培養装置の制御装置としたのである
。重量センサ（６）による入力値以外のファジィ制御入力
値を得るためには、培養基質層（２）の品温センサ（２
２）と製麹室下室に設けた風圧センサ（２３）等があり
、制御手段（２１）には操作量出力装置（８）からの出
力値で作動する風ｉ調節用インバータ（１１）、風温調
節計（１３）及び手入れ機作動装置（２４）等があり、
それぞれファン（１２）、ヒータ（１４）及び手入れ機
（２５）等の作動を制御する。ここでいう固体培養装置とは、微生物をフスマ、大豆、
米、麦等の固体培地（基質）で培養するものであり、み
そ、醤油、清酒、焼酎等の製麹装置、微生物の培養によ
って微生物自体、酵素、抗生物質等を生産する装置をい
う。ファジィ推論装置とは、一般に知られているファジィ理
論を利用するもので、これに基づく推論を行うことので
きる装置である。培養時にこれまで作業者が行っていた
あいまいな情報をもとに柔軟な適応性によって制御して
いた操作方法をファジィ理論によってモデル化し、コン
ピュータ利用によって具現化する装置である。さらに詳しくは、例えば、培養基質重量と、重量設定曲
線値との間に差がある等のプロセスの状況判断を条件命
題（前件部命題）として、その命題が確かなとき培養基
質吹込み風温を変更する等（後件部命題）の操作方法を
結論とする制御規則においてプロセスの状況判断の基準
や操作の内容があいまい量として扱われ、培養基質重量
が重量設定曲線値よりも差が生じ始めたら（前件部命題
）、吹込み風温を少し下げる（後件部命題）といった、
そのあいまい量がメンバーシップ関数で定量化されるも
ので、各制御規則の前件部命題の適合度を重みとした総
合判断として操作量を求めることのできる装置である。そのための総合判断の手順としては、先ず、推論方法に
一般的に使用されているＭａｘ−Ｍｉｎ法を採用すると
よい６例えば、固体培養時の制御規則のうち、後述する
第２表中の１番目の規則は、ＩＦ　Ｗ−≦ΔＶＥＩＧ（
Ｔ≦Ｗ＋　　　　ＴＨＥＮ　踊＝ＺＥとしている。この
制御規則は入出力変数名と入出力変数を第１表に示した
が、ΔＩＩＩＥＩＧＨＴが麹重量のプログラム設定値に
対する差を示すときΔＷＥＩＧＨＴが品温のプログラム
設定値に対する差の上限許容値（Ｗ÷）以下で、同下限
許容値（Ｗ−）以上であれば、後件部の操作量である風
温はＺＥとすることを意味している。ＺＥはあいまい状
態を表すファジィ変数である。前件部ファジィ変数とメンバーシップ関数の例は後述す
る実施例の第２，３図にみられ、後件部ファジィ変数と
メンバーシップ関数についても第４．５図に示している
。　このメンバーシップ関数はあいまい量を定量化する
ためのファジィ変数の集合である。それぞれのファジィ
変数は入力値にしたがって前件部メンバーシップ関数に
より適合度が求められ、それをもどにして演算により出
力に関するメンバーシップ関数が求められる。操作出力
値は常法に従って出力に関するメンバーシップ関数の面
積を三等分する点として求められる。これらは計測値が周期的に入力されるとマイクロコンピ
ュータ又は制御用計算機で演算される。この操作出力値
はあいまいな情報を用いた柔軟で適応性高いものとなっ
ており、適正な固体培養装置の制御がなされる。

【作用】

このような本発明の固体培養装置の制御装置では１例え
ば重置センサ（６）の計量結果により培養基質重量が重
量設定曲線値よりも差が生じ始めたら（前件部命題）、
ファジィ推論装置１１（２０）により吹込み風温を少し
下げる（後件部命題）といった、そのあいまい量がメン
バーシップ関数で定量化され、この制御規則の前件部命
題の適合度を重みとした総合判断として操作量が求めら
れる。そこで、ファジィ制御規則に経験的制御方法ある
いは予測的制御方法をルール化したものを用いておけば
、ファジィ推論装置の出力値により制御手段（２１）が
固体培養装置（１）の培養条件を操作する。　したがっ
て、従来の制御方式では実現できなかった適切かつ、き
め細い重量制御による固体培養が可能となる。重量制御
に加えて、品温制御及び風圧制御を併用することも当然
、実施可能である。

【実施例】

実施例１第１図は本発明の固体培養装置の制御装置の系統図であ
る。固体培養装置（１）の回転円盤上の麹層（２）には空調
機（３）から調和された空気が供給される０回転円盤の
下方には空気供給室（４）がある、　また、固体培養袋
［（１）の下方には計量可能に重量センサ（６）がある
１重量センサ（６）の測定結果は状態認識入力装置（７
）へオンライン入力されるようになっている。状態認識
入力装置（７）にはプログラム重量設定値がキーボード
入力される。また、培養経過時間の計測もなされる。状
態ｔｉ＊入力装Ｍ（７）と操作量出力装置（８）との間
にファジィ推論のための演算部（９）があり、　これは
ファジィ制御規則部（ｌＯ）と接続されている。これら
状態認識入力装１（７）、操作量出力装置（８）、演算
部（９）及びファジィ制御規則部（１０）を総称して本
発明ではファジィ推論装置（２０）という、操作量出力
装置（８）は風温調節計（１３）と連結されており、風
温制御のための出力指令が出されるようになっている。そのために風温は風温調節計（１３）を介して空調機（
３）内へ供給されるシャワー水温の加熱ヒータ（１４）
の制御と、必要に応じて外気を取り入れるフィンクーラ
（１５）及び排気ダクト（１６）などのダンパー開度の
制御が可能に接続されている。風量に関しては、インバ
ータ（１１）を介してファン（１２）の回転制御がなさ
れる。この風温調節のための風温調節計（１３）と、風
量調節のためのインバータ（１１）及び手入れ機作動装
置Ｉ（２４）が制御手段（２１）である。本実施例におけるファジィ制御規則部（１０）とファジ
ィ推論のための演算部（９）とによるコンピュータ制御
における入出力変数名（ラベル）及び入出力変数を第１
表に示した。以下余白第表ファジィ制御規則は第２表の如くである。ファジィ分割における前件部ファジィ変数とメンバーシ
ップ関数を第２，３図に示した。　また、第４，５図に
は向後件部ファジィ変数とメンバーシップ関数を示した
。この実施例１では、本装置を用いて最適重量設定曲線（
第６図）通りに重量変化するように、麹重量と重量設定
曲線値との差がある一定値以上になったとき、電型量と
重量設定曲線との差の時間変化量と培養経過時間とを入
力として、麹層通過風量変更量と、麹層吹込み風温変更
量とを出力とするファジィ制御によって醤油麹の製麹テ
ストをした。その結果、実際の重量経過は重量設定曲線に対して±０
．０８ｋｇ以内で推移した。同一テストを３回行い（比
較例１．比較例２もそれぞれ３回テストを行う）出来上
がった麹を常法により仕込み３ケ月間発酵熟成し、通常
の如く圧搾し、生揚醤油を得た。その分析値の平均を第
３表に示す。なお、比較例１，２は下記の方法によった。比較例１特公昭６２−６４９号方式による電型量値に応じた麹層
通過風温と麹層吹込み風量を予め設定して制御する方法
で製麹した。第４表に設定値を示した。なお、第４表に示した制御−覧は、最適品温設定曲線通
りに品温が経過したときの電型量変化とその時の風温、
風量の実績値に基づいて作成した。これにより３回テストを行ったが重量の時間変化は第７
図に示したように３回とも大きく異なっていた。比較例２従来法による最適品ａ設定曲、１ｌｌ（第８図参照）通
りに品温が経過するように風温、風量をプログラム設定
して制御させた。その結果１本発明は全窒素、窒素利用率ともに比較例に
比して高く、官能検査も優れた結果となった・実施例２希望する品温設定曲線及び重量設定曲線のある許容範囲
内で品温及び重量が経過するようにするために、品温セ
ンサ（２２）により求めた基質品温と品温設定曲線との
差、あるいは重量センサ（６）により求めた基質重量と
重量設定曲線値との差がある一定値以上になったとき、
基質品温と品温設定曲線との差、基質重量と重量設定曲
線との差の時間変化量、及び培養経過時間を入力として
、基質層通過風量変更量と、基質層吹込み風温変更量と
を出力するファジィ制御によってセルラーゼ製造の培養
テストをした。ファジィ制御規則は実施例１に準じて作
成した。結果は、品温、重量ともに希望する範囲内で制
御でき、高い生産性でセルラーゼ製造ができた。実施例３麹の撹拌手入れ時期を適切に設定できるようにするため
に、重量センサ（６）による電型量と重量設定曲線との
差、風圧センサ（２３）により求めた培養基質への吹込
み風圧及び培養経過時間を入力として、撹拌手入れ装置
の作動を出力とするファジィ制御によって醤油麹の製麹
テストを行った。結果は熟練者が撹拌手入れ時期を判断
するのと同時期に撹拌手入れ装置の作動出力がなされた
。これにより撹拌手入れの無人化が可能となった。従来、手入れ時期は実際の麹の状態、麹の発熱量に関係
なくあらかじめ想定された麹の状態、麹の発熱量によっ
て決められた時間設定であるために、常に適切なタイミ
ングで手入れされるとは限らなかった。麹の状態に比し
て早いタイミングで自動手入れがなされると、後で品温
が高くなりすぎて、風だけでは品温を下げることができ
なくなる。遅いタイミングであると品温が高くなりすぎ
る０通常は風で発熱がおさえられるギリギリの段階で手
入れするのがよく、これは熟練者の勘にたよるほかなか
った。これを本発明では重量値と培養基質への吹込み風
圧及び培養経過時間の入力によるファジィ推論で適切な
撹拌手入れ時期を設定することができた。

【発明の効果】

本発明の固体培養装置の制御装置は以上のようであるか
ら、下記のような特徴を有している。 ■培養状態の正確な把握ができる。 ■正確な基質撹拌時期が設定できる。 ■最適な培養条件の設定ができる。 ■培養後、装置内で基質の乾燥を行う場合、その乾燥完
了の設定ができる。これらによって、培養条件を熟練者の勘等に頼ることな
く最適化して、優れた製品を製造できることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体培養装置の制御装置の系統図であ
る。第２〜５図はメンバーシップ関数を示す図である。第６図は最適重量設定曲線である。第７図は比較例１における重量曲線である。第８図は比
較例２における風温、風量設定曲線である。（１）固体培養装置　　　（２）培養基質（麹）層（３
）空調機　　　　　　（４）空気供給室（６）重量セン
サ　　　　（７）状態認識入力装置（８）操作量出力装
置　　（９）ファジィ推論演算部（１０）ファジィ制御
規則部（１１）インバータ　　　（１２）ファン（１３）風温
調節計　　　（１４）加熱ヒータ（１５）フィンクーラ
　　　（１６）排気ダクト（２０）ファジィ推論装置　
（２１）制御手段（２２）品温センサ　　　　（２３）
風圧センサ（２４）手入れ機作動装置　（２５）手入れ
機以上出願人　藤ＪＪＸ醸機産業株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

１　培養基質を含む固体培養装置（１）の重量を測定す
る重量センサ（６）と、該重量センサから得られた重量
値またはその変化量を入力値の１つとするファジィ推論
装置（２０）と、該ファジィ推論装置の出力値により固
体培養装置（１）の培養条件を操作する制御手段（２１
）とを有する固体培養装置の制御装置。