RU2132881C1

RU2132881C1 - Method of automatically controlling growing microorganisms

Info

Publication number: RU2132881C1
Application number: RU97120771A
Authority: RU
Inventors: В.В. Ануфриев; А.Ю. Кожин; Ю.Е. Кожевников
Original assignee: Воронежская государственная технологическая академия
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 1999-07-10

Abstract

FIELD: microbiological industry. SUBSTANCE: method, which, in particular, relates to production of baker's yeast, consists in determining yeast suspension concentration change rate and comparing it with rate of oxygen concentration change in exhaust gases and with rate of temperature change in yeast suspension. Using results obtained from such comparisons, aeration volume is corrected. EFFECT: optimized yeast growth conditions and increased yield. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов, и может быть использовано при производстве дрожжей, в частности, хлебопекарных. The invention relates to the microbiological industry, and in particular to methods for automatically controlling the process of growing microorganisms, and can be used in the production of yeast, in particular baking.

Известны способы автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов, предусматривающие регулирование подачи воздуха на аэрацию и изменение температуры дрожжевой суспензии (а. с. N 488847, кл. C 12 B 1/08, 1975, бюл. N 39 и а.с. N 352562, кл. C 12 B 1/08, 1973, бюл. N 42). Known methods for automatically controlling the process of growing microorganisms, providing for regulating the air supply for aeration and changing the temperature of the yeast suspension (A. S. N 488847, CL C 12 B 1/08, 1975, bull. N 39 and A. S. N 352562, C. C 12 B 1/08, 1973, bull. N 42).

Такие способы не обеспечивают оптимальных условий ведения процесса выращивания дрожжей, так как
не учитываются значительные колебания редуцирующих веществ (РВ) в питательном растворе;
не позволяют уловить момент затухания аэробного процесса, когда начавшееся анаэробное спиртовое брожение подавляет дыхание дрожжей и препятствует нормальному развитию и размножению дрожжевых клеток из-за недостатка кислорода;
не учитываются значительные инерционность и запаздывание контура регулирования температурным режимом.Such methods do not provide optimal conditions for the process of growing yeast, as
significant fluctuations of reducing substances (RS) in the nutrient solution are not taken into account;
they do not allow to catch the moment of attenuation of the aerobic process, when the started anaerobic alcohol fermentation suppresses the respiration of the yeast and interferes with the normal development and reproduction of yeast cells due to a lack of oxygen;
Significant inertia and delay of the temperature control loop are not taken into account.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ автоматического управления процессом выращивания дрожжей (а.с. N 584033, кл. C 12 B 1/08, 1977, бюл. N 46), предусматривающий определение скорости изменения температуры дрожжевой суспензии, сравнение ее с заданной отрицательной величиной и, в зависимости от результата сравнения, коррекцию подачи воздуха на аэрацию. Closest to the proposed method is a method for automatically controlling the process of growing yeast (A.S. N 584033, class C 12 B 1/08, 1977, bull. N 46), which includes determining the rate of change of temperature of the yeast suspension, comparing it with a given negative the magnitude and, depending on the result of the comparison, the correction of air supply for aeration.

Рассматриваемый способ имеет следующие недостатки:
управление ведется по косвенному параметру - скорости изменения температуры дрожжевой суспензии, без учета основного параметра, определяющего процесс выращивания дрожжей - скорости изменения концентрации дрожжей;
Коррекция подачи воздуха на аэрацию осуществляется в том момент, когда величина изменения скорости температуры дрожжевой суспензии по своему абсолютному значению превысит определенную, наперед заданную, отрицательную величину, что соответствует началу нежелательного спиртового брожения, и, следовательно, такой режим далек от оптимального;
рассматриваемый способ может быть использован при реализации "жесткой" технологической программы, т.е. требует предварительного определения отрицательной величины, и, следовательно не находит применения при ведении "гибкого" технологического процесса, учитывающего, например, возмущающие воздействия по качеству питательных сред, поступающих в дрожжерастительный аппарат.The considered method has the following disadvantages:
control is carried out by an indirect parameter - the rate of change in temperature of the yeast suspension, without taking into account the main parameter that determines the process of growing yeast - the rate of change in the concentration of yeast;
Correction of air supply for aeration is carried out at the moment when the magnitude of the change in the temperature rate of the yeast suspension in its absolute value exceeds a certain, predetermined, negative value, which corresponds to the onset of undesirable alcoholic fermentation, and, therefore, this mode is far from optimal;
the considered method can be used in the implementation of a “rigid” technological program, i.e. requires a preliminary determination of a negative value, and therefore does not find application in conducting a "flexible" technological process, taking into account, for example, disturbing effects on the quality of nutrient media entering the yeast-growth apparatus.

Задачей изобретения является обеспечение оптимальных условий ведения процесса выращивания дрожжей и увеличение их выхода. The objective of the invention is to provide optimal conditions for the process of growing yeast and increase their yield.

Поставленная задача достигается тем, что по предлагаемому способу определяется скорость изменения концентрации дрожжевой суспензии, сравнивается со скоростью изменения концентрации кислорода в отработанных газах и со скоростью изменения температуры дрожжевой суспензии и, в зависимости от результатов сравнения, корректируется подача воздуха на аэрацию. The problem is achieved by the fact that the proposed method determines the rate of change in the concentration of yeast suspension, compares it with the rate of change of oxygen concentration in the exhaust gases and the rate of change of temperature of the yeast suspension and, depending on the comparison results, adjusts the air supply for aeration.

В результате проведенного поиска установлено, что в существующих технических решениях автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов не использовались вообще такие параметры, как скорость изменения концентрации дрожжевой суспензии и скорость изменения концентрации кислорода в отработанных газах, тем более в совокупности с ранее используемым параметром - скоростью изменения температуры дрожжевой суспензии. Использование этих параметров в предложенной совокупности дает новый положительный эффект. Поэтому предлагаемое техническое решение отвечает критерию "существенные отличия". As a result of the search, it was found that in the existing technical solutions for the automatic control of the process of growing microorganisms, parameters such as the rate of change in the concentration of yeast suspension and the rate of change in the concentration of oxygen in the exhaust gases were not used at all, especially in conjunction with the previously used parameter, the rate of change in the temperature of the yeast suspensions. The use of these parameters in the proposed combination gives a new positive effect. Therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На чертеже представлена структурная схема системы, реализующей предлагаемый способ. The drawing shows a structural diagram of a system that implements the proposed method.

Система состоит из объекта управления - дрожжерастительного аппарата 1; датчика расхода воздуха 2, поступающего на аэрацию в аппарат 1; датчика концентрации дрожжевой суспензии 3 в аппарате 1; датчика концентрации кислорода 4 в отработанных газах; датчика температуры 5 в дрожжевой суспензии в аппарате 1; дифференцирующих элементов 6-8; задатчиков 9-11; элементов сравнения 12-14; управляющего устройства 15 и исполнительного механизма с регулирующим органом 16, установленным на линии подачи воздуха на аэрацию в аппарат 1. The system consists of a control object - yeast apparatus 1; air flow sensor 2 entering the aeration apparatus 1; a sensor for the concentration of yeast suspension 3 in the apparatus 1; the sensor of oxygen concentration 4 in the exhaust gas; temperature sensor 5 in yeast suspension in the apparatus 1; differentiating elements 6-8; setters 9-11; comparison elements 12-14; a control device 15 and an actuator with a regulating body 16 installed on the line for supplying air to aeration in the apparatus 1.

Система работает следующим образом. The system operates as follows.

Информация о текущем значении расхода воздуха на аэрацию в аппарат 1 поступает на управляющее устройство 15, где сравнивается с заданным значением расхода воздуха для данной расы микроорганизмов, поступающим на управляющее устройство 15 от задатчика 11. Управляющее устройство 15 при наличии разности между текущим и заданным значениями расхода воздуха на аэрацию в соответствии с выбранным алгоритмом управления вырабатывает соответствующий управляющий сигнал, поступающий на исполнительный механизм с регулирующим органом 16, который изменяет расход воздуха на аэрацию в аппарате 1. Information about the current value of the air flow rate for aeration in the apparatus 1 is supplied to the control device 15, where it is compared with the set value of the air flow rate for a given race of microorganisms supplied to the control device 15 from the setter 11. The control device 15 if there is a difference between the current and the set flow rates air for aeration in accordance with the selected control algorithm generates a corresponding control signal supplied to the actuator with the regulatory body 16, which changing t aeration air flow rate in the apparatus 1.

Рассмотренная система обеспечивает стабилизацию воздуха на аэрацию при отсутствии возмущающих воздействий на объект управления. Однако в реальном процессе присутствуют значительные возмущающие воздействия, и возникает необходимость корректировать расход воздуха на аэрацию для компенсации возмущающих воздействий. Предлагаемый способ автоматического управления учитывает это. The considered system provides stabilization of air for aeration in the absence of disturbing effects on the control object. However, in the real process there are significant disturbing influences, and there is a need to adjust the air flow for aeration to compensate for the disturbing influences. The proposed automatic control method takes this into account.

Для этого непрерывно измеряются текущие значения концентрации дрожжевой суспензии X в аппарате 1, концентрации кислорода в отработанных газах Y и температуры дрожжевой суспензии Z в аппарате 1 с помощью датчиков, соответственно 3-5. Сигналы с датчиков 3-5, пропорциональные текущим значениям концентрации дрожжевой суспензии X, концентрации кислорода в отработанных газах Y и температуры дрожжевой суспензии Z, поступают в дифференциальные элементы 6-8, в которых определяются скорости их изменения и вырабатываются сигналы, пропорциональные этим скоростям, т.е.

С дифференцирующих элементов 6 и 7 сигналы поступают на элемент сравнения 12, где происходит их сравнение и определение разности их значений, т. е.

Полученная разность на этом же элементе сравнения 12 сравнивается с заданной, предельно допустимой по технологическому регламенту для соответствующих микроорганизмов, величиной ε₁, поступающей на элемент сравнения 12 от задатчика 9. Если величина

то на выходе элемента сравнения 12 будет 0 (ноль). Если же величина разности

то элемент сравнения 12 определит их разность, т.е.

и эта величина, с соответствующим знаком, поступает на элемент сравнения 14, куда одновременно поступает сигнал с элемента сравнения 13.For this, the current values of the concentration of yeast suspension X in the apparatus 1, the oxygen concentration in the exhaust gases Y and the temperature of the yeast suspension Z in the apparatus 1 are continuously measured using sensors, respectively 3-5. The signals from sensors 3-5, proportional to the current values of the concentration of yeast suspension X, the oxygen concentration in the exhaust gases Y and the temperature of the yeast suspension Z, enter the differential elements 6-8, in which they determine the rate of change and generate signals proportional to these speeds, t .e.

From the differentiating elements 6 and 7, the signals are supplied to the comparison element 12, where they are compared and the difference in their values is determined, i.e.

The difference obtained on the same element of comparison 12 is compared with a predetermined, maximum permissible by the technological regulations for the corresponding microorganisms, value ε ₁ supplied to the element of comparison 12 from the setter 9. If the value

then the output of the comparison element 12 will be 0 (zero). If the difference

then the comparison element 12 will determine their difference, i.e.

and this quantity, with the corresponding sign, enters the comparison element 14, which simultaneously receives a signal from the comparison element 13.

Одновременно с этим, с дифференцирующим элементом 6 и 8 сигналы поступают и на элемент сравнения 13, где эти сигналы сравниваются, и определяется разность их значений, т. е.

Полученная разность в этом же элементе сравнения 13 сравнивается с заданной, предельно допустимой величиной ε₂ , поступившей на элемент сравнения 13 от задатчика 10. Если величина

, то на выходе элемента сравнения 13 будет 0 (ноль). Если же величина разности

то элемент сравнения 13 определит их разность, т. е.

и эта величина, с соответствующим знаком, поступит на элемент сравнения 14.At the same time, with the differentiating element 6 and 8, the signals are also sent to the comparison element 13, where these signals are compared, and the difference in their values is determined, i.e.

The resulting difference in the same comparison element 13 is compared with a predetermined, maximum allowable value ε ₂ received by the comparison element 13 from the setter 10. If the value

, then the output of the comparison element 13 will be 0 (zero). If the difference

then comparison element 13 will determine their difference, i.e.

and this value, with the corresponding sign, will go to the comparison element 14.

На элементе сравнения 14 сравниваются две величины Δ₁ и Δ₂ с учетом их знаков. Если знаки Δ₁ и Δ₂ одинаковые (оба положительные или оба отрицательные), то элемент сравнения 14 пропустит больший из них на управляющее устройство 15 как корректирующий сигнал. Если же знаки Δ₁ и Δ₂ разные, то элемент сравнения 14 определяет их алгебраическую сумму, и этот суммарный сигнал поступает на управляющее устройство 15 как корректирующий сигнал. Если же Δ₁ = Δ₂, и их знаки одинаковые, то на управляющее устройство 15 подается 0 (ноль), т.е. корректирующий сигнал отсутствует.On the comparison element 14, two quantities Δ ₁ and Δ _{2 are} compared taking into account their signs. If the signs Δ ₁ and Δ _{2 are the} same (both positive or both negative), then the comparison element 14 will pass the larger one to the control device 15 as a correction signal. If the signs Δ ₁ and Δ _{2 are} different, then the comparison element 14 determines their algebraic sum, and this total signal is supplied to the control device 15 as a correction signal. If Δ ₁ = Δ ₂ , and their signs are the same, then 0 (zero) is supplied to the control device 15, i.e. there is no correction signal.

Управляющее устройство 15, в соответствии с величиной и знаком сигнала с элемента сравнения 14, корректирует управляющее воздействие на исполнительный механизм 16, который изменит расход воздуха на аэрацию в аппарат 1. The control device 15, in accordance with the magnitude and sign of the signal from the comparison element 14, corrects the control action on the actuator 16, which will change the air flow for aeration in the apparatus 1.

Рассмотрим более подробно работу элементов сравнения 12-14. Let us consider in more detail the work of comparison elements 12-14.

Пусть, например, величина скорости изменения концентрации биомассы

больше величины скорости изменения концентрации кислорода

в отработанных газах, т.е.

(такая ситуация может произойти, если общее состояние процесса культивирования микроорганизмов, с учетом физиологических возможностей популяции, превосходит количество кислорода, поступающего в аппарат, например, из-за временной неисправности части воздухораспределительного устройства и др.). Следовательно, в элементе сравнения 12 определяется разность

и сравнивается, по абсолютной величине, с заданной величиной ε₁. Тогда, при условии |ε

\binom{*}{1}

| > |ε₁|, определяется |ε

\binom{*}{1}

|-|ε₁| = +Δ₁, т.е. на элемент сравнения 14 поступает определенная величина Δ₁ , со знаком +. Этот знак требует увеличения подачи воздуха на аэрацию пропорционально величине Δ₁.
Одновременно, пусть, например, величина скорости изменения температуры дрожжевой суспензии

больше величины скорости изменения концентрации дрожжевой суспензии

т.е.

(это может произойти, если имеют место возмущения по температурному каналу, например, засорение или другие временные неисправности при подаче охлаждающей жидкости в аппарат, изменение температуры воздуха, поступающего на аэрацию и др.). Тогда в элементе сравнения 13 определится разность

и сравнится, по абсолютной величине, с заданной величиной ε₂. Если

то в элементе сравнения определится величина |ε

\binom{*}{2}

|-|ε₂| = -Δ₂, которая поступит на элемент сравнения 14, причем, знак "-" у величины Δ₂ требует уменьшения подачи воздуха на аэрацию пропорционально величине Δ₂.
Таким образом, на элемент сравнения 14 поступают значения Δ₁ и Δ₂ с различными абсолютными величинами и знаками.Let, for example, be the rate of change in biomass concentration

greater than the rate of change of oxygen concentration

in exhaust gases, i.e.

(this situation can happen if the general state of the process of cultivating microorganisms, taking into account the physiological capabilities of the population, exceeds the amount of oxygen entering the apparatus, for example, due to a temporary malfunction of a part of the air distribution device, etc.). Therefore, in the comparison element 12, the difference

and is compared, in absolute value, with a given value of ε ₁ . Then, provided | ε

\binom{*}{1}

| > | ε ₁ |, | ε is determined

\binom{*}{1}

| - | ε ₁ | = + Δ ₁ , i.e. the comparison element 14 receives a certain value Δ ₁ , with a + sign. This sign requires an increase in air supply for aeration in proportion to Δ ₁ .
At the same time, let, for example, be the value of the rate of change in the temperature of the yeast suspension

greater than the rate of change in the concentration of yeast suspension

those.

(this can happen if there are disturbances in the temperature channel, for example, clogging or other temporary malfunctions when the coolant is supplied to the apparatus, a change in the temperature of the air entering the aeration, etc.). Then, in the comparison element 13, the difference

and compared, in absolute value, with a given value of ε ₂ . If

then the quantity | ε is determined in the comparison element

\binom{*}{2}

| - | ε ₂ | = -Δ ₂ , which will go to the comparison element 14, moreover, the “-" sign for Δ ₂ requires a decrease in the air supply to aeration in proportion to Δ ₂ .
Thus, the values of Δ ₁ and Δ ₂ with various absolute values and signs are supplied to the comparison element 14.

Если в рассмотренном случае |Δ₁| > |Δ₂|, то в элементе сравнения 14 произойдет вычитание из большего значения меньшего, т.е. |Δ₁|-|Δ₂|, и, с учетом знака большего значения "+", этот элемент будет выдавать корректирующий сигнал на управляющее устройство 15, которое, в свою очередь, будет корректировать управляющий сигнал, поступающий на исполнительный механизм 16, увеличение расхода воздуха на аэрацию пропорционально величине разности |Δ₁|-|Δ₂|.
Если, например, |Δ₁| < |Δ₂|. то элемент сравнения 14 определит разность |Δ₁|-|Δ₂|, и, с учетом знака "-", управляющее устройство 15 корректирует управляющий сигнал на уменьшение расхода воздуха на аэрацию пропорционально величине разности |Δ₁|-|Δ₂|.
Если же, например, |Δ₁| = |Δ₂|, и их знаки различные, то управляющее устройство 15 не получает корректирующего сигнала, так как на выходе элемента сравнения будет 0 (ноль), т.е. возмущения, приходящие по разным каналам, взаимно компенсируют друг друга.If in the considered case | Δ ₁ | > | Δ ₂ |, then in the comparison element 14, a smaller value is subtracted from the larger value, i.e. | Δ ₁ | - | Δ ₂ |, and, taking into account the sign of a larger "+" value, this element will provide a correction signal to the control device 15, which, in turn, will correct the control signal supplied to the actuator 16, increase air flow rate for aeration is proportional to the difference | Δ ₁ | - | Δ ₂ |.
If, for example, | Δ ₁ | <| Δ ₂ |. then the comparison element 14 will determine the difference | Δ ₁ | - | Δ ₂ |, and, taking into account the sign "-", the control device 15 corrects the control signal to reduce the air flow for aeration in proportion to the difference | Δ ₁ | - | Δ ₂ |.
If, for example, | Δ ₁ | = | Δ ₂ |, and their signs are different, the control device 15 does not receive a correction signal, since the output of the comparison element will be 0 (zero), i.e. disturbances coming through different channels mutually cancel each other out.

Теперь допустим, например, что на элемент сравнения 14 поступают два значения Δ₁ и Δ₂ , разные по своим абсолютным значениям, но с одинаковыми знаками (например, со знаком "-". Элемент сравнения 14, после сравнения абсолютных величин |Δ₁| и |Δ₂|, пропустит на управляющее устройство сигнал с большим значением величины, т.е. влияние возмущения по каналу с меньшим значением величины Δ уже учтено, и управляющее устройство 15 вырабатывает корректирующий сигнал (на уменьшение расхода воздуха) в зависимости от абсолютной величины большего Δ.
Предлагаемый способ был проверен экспериментально на дрожжерастительном аппарате типа ВДА-100 на товарной стадии производства дрожжей "В" с использованием воздуходувной машины ТВ-200-1,4 с использованием технологического регламента, принятого на Воронежском дрожжевом заводе, в накопительный период. Для реализации способа были использованы следующие средства автоматизации:
датчик концентрации дрожжевой суспензии - рефрактометрический датчик типа А₁-ЕДР с преобразователем МП-П;
датчик расхода воздуха - индукционный расходомер типа ИР-11;
датчик температуры дрожжевой суспензии - термометр сопротивления типа ТСМ-XI;
датчик концентрации кислорода в отработанных газах - кислородомер КМК-59;
дифференцирующие элементы - дифференциаторы типа Д-П;
элементы сравнения - измерительные блоки типа И-УП;
задатчики - программные задатчики типа ПД-44 УМ;
управляющее устройство - электронный регулятор типа РП1-УП.Now suppose, for example, that the comparison element 14 receives two values Δ ₁ and Δ ₂ , different in their absolute values, but with the same signs (for example, with a “-" sign. Comparison element 14, after comparing the absolute values | Δ ₁ | and | Δ ₂ |, will pass a signal with a large value to the control device, that is, the influence of disturbances along the channel with a lower value of Δ is already taken into account, and the control device 15 generates a correction signal (to reduce air flow) depending on the absolute value larger Δ.
The proposed method was tested experimentally on a yeast-growing apparatus of type VDA-100 at the commodity stage of yeast production “B” using a blower TV-200-1,4 using the technological procedures adopted at the Voronezh yeast plant during the cumulative period. To implement the method, the following automation tools were used:
yeast suspension concentration sensor - type A ₁ -EDR refractometric sensor with MP-P converter;
air flow sensor - induction flow meter type IR-11;
yeast suspension temperature sensor - resistance thermometer type TCM-XI;
the sensor of oxygen concentration in the exhaust gases - oxygen meter KMK-59;
differentiating elements - differentiators type DP;
comparison elements - measuring units of the type I-UP;
adjusters - PD-44 UM type software adjusters;
control device - electronic regulator type RP1-UP.

Результаты эксперимента приведены в таблице. The experimental results are shown in the table.

Из эксперимента видно, что только в накопительный период с помощью предлагаемого способа удается повысить выход дрожжей примерно на 5%. The experiment shows that only in the cumulative period using the proposed method it is possible to increase the yield of yeast by about 5%.

Следовательно, предлагаемый способ позволяет корректно учитывать возмущения по различным каналам с учетом их величин и знаков, а также с учетом их взаимной компенсации и тем самым обеспечивает оптимальные условия ведения процесса выращивания дрожжей и увеличение их выхода. Therefore, the proposed method allows you to correctly take into account perturbations in various channels, taking into account their values and signs, as well as taking into account their mutual compensation, and thereby provides optimal conditions for conducting the process of growing yeast and increasing their yield.

Claims

A method for automatically controlling the process of growing microorganisms, for example, baker's yeast, which consists in regulating the air supply for aeration with correction, measuring the temperature of the yeast suspension and determining the rate of change of this temperature, characterized in that it further determines the rate of change in the concentration of oxygen in the exhaust gases and the rate of change in the concentration of yeast suspension, the latter value is compared with the rate of change of the concentration of oxygen in the exhaust gases and with the rate of change of temperature of the yeast suspension, the obtained comparison results are compared with each other, and the correction of air supply to aeration is carried out depending on the result of the last comparison.