SU1328378A1 - Система автоматического управлени циклическим процессом непрерывного выращивани микроорганизмов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к управлению биотехнологическими процессами и может быть использовано на предпри ти х микробиологической промьгашеннос- ти, например, при производстве кормовых дрожжей, ферментов, органических кислот. Целью изобретени   вл етс  повышение выхода биомассы при одновременном рациональном использовании питательных веществ. Система содержаща  датчики 25, 21 и 5 остаточной концентрации субстрата, расхода аммиачной воды и кислотности питательного субстрата, блок 26 определени  текущей скорости роста микроорганизмов , контуры регулировани  подачи субстрата, питательных солей, температуры среды, уровн  в ферментере, - рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, дополнительно снабжена- последовательно вода боЗл Зл  епамдгмий ю СХ) СлЭ « 00 СреЗа

Description

соединенными интегратором 27, блоком 29 делени , экстремальным регул тором 30, блоком 31 формировани  амплитуды колебаний и блоком 32 умножени . Другой вход последнего через блок переключений 33 св зан с датчиком 25 остаточной концентрации субстрата, а выход блока умножени  через сумма- гор 34 св зан с регул тораш 3 и 7 подачи питательных солей и питательного субстрата на ферментер. При этом выходы блоков 26 и 28 определени  текущей скорости роста микроорга1

1зобретение относитс  к системам автоматического управлени  процессами непрерывного выращивани  микроорганизмов и может найти применение в микробиологической промышленности.

Цель изобретени  - повышение выхода биомассы при одновременном рацио- нальном использовании питателышх веществ.

Сущность изобретени  заключаетс  в следующем.

При непрерывном выращивании микроорганизмов циклический режим подачи питательного субстрата, т.е. импульсное изменегше его концентрации в среде , обеспечивает более эффективное ведение процесса, повьшает выход биомассы (экономический коэффициент). Между параметрами циклических колебаний концентрации субстрата в среде и скоростью роста биомассы существует экстремальна  функциональна  зависимость . Из-за нестационарности и продолжительности процесса культивировани  невозможно заранее установить параметры колебаний концентрации субстрата , которые обеспечивали бы максимальную скорость роста микроорганизмов . Поэтому целесообразно осуществл ть поиск этих параметров по ходу процесса.

Система в реальном масштабе времени ведет поиск экстремума скорости роста путем управлени  амплитудой принудительных циклических колебаний концентрации субстрата среды. Амплитуда колебаний подстраиваетс  так.

низмов и синхронизации подключены к входам интегратора, а. выход задатчи- ка 35 концентрации питательного субстрата соединен с сумматором. Включение в систему технических средств, которые обеспечивают циклический режим подачи питательных веществ, осуществл   поиск экстремальной скорости роста по ходу процесса, учитыва  ограничени  остаточной к онцентра- ции субстрата на выходе из ферментера , позвол ет повысить выход биомассы и экономичность процесса 1 ил.

чтобы обеспечить максимальную скорость роста при данных услови х культивировани  .

Скорость роста микроорганизмов 5 определ етсА по расходу аммиачной воды , учитыва  кислотность подаваемого субстрата

f Qae- l z PHncQnc-pHKcQKc). 10(1)

где Д(.х - скорость роста;

- расход аммиачной воды; QPJ, - расход питательного суб- gстрата;

Q . - расход отводимой культуральной среды; рН - кислотность питательного

субстрата; 20 tec кислотность культуральной среды;

k, kj - коэффициенты пропорциональности .

25 Период переключений амплитуды ко- лебаний определ етс  по сигналу датчика остаточной концентрации, учитыва  ограничени  на концентрацию питательного субстрата в отводимой из

30 ферментера культуральной среде coi- ласно регламенту технологии (нижний предел остаточной концентрации контролируетс  дл  предохранени  процесса от глубокого лимита по субстрату,

35 при котором резко падает скорость роста, а верхний предел - .дл  рационального использовани  питательных

веществ, он также регламентируетс  санитарны и нормами).

На чертеже изображена блок-схема системы автоматического управлени  циклическим процессом непрерывного вьфащивани  микроорганизмов.

Система содержит ферментер 1 с лини ми подачи питательных солей, аммиака, субстрата, воды, воздуха, охлаждающей воды и линий отбора среды , а также контуры регулировани  подачи субстрата, питательных солей, уровн  в ферменте, температуры среды растворенного кислорода, рН среды и отбора среды из ферментера .

Контур регулировани  подачи субстрата включает датчик 2 расхода на линии подачи субстрата, регул тор 3 и исполнительный механизм 4 на линии подачи.субстрата, при зтом измер ют датчиком 5 кислотность подаваемого субстрата.

Контур регулировани  подачи питательных солей включает датчик 6 расхода на линии подачи питательных солей , регул тор 7, исполнительный механизм 8 на линии подачи питательных солей.

Контур регулировани  уровн  в фер ментере включает датчик 9 уровн  среды в ферментере, регул тор 10 и исполнительный механизм 11 на линии подачи воды на разбавление.

Контур регулировани  температуры культуральной среды включает датчик 12 температуры среды в ферментере, регул тор 13 и исполнительный механизм 14 на линии подачи охлаждающей воды.

Контур регулировани  растворенног кислорода среды включает датчик 15 растворенного кислорода в ферментере регул тор 16 и исполнительный механизм 17 на линии подачи воздуха.

Контур регулировани  рН включает датчик 18 рН среды в ферментере, регул тор 19 и исполнительный механизм 20 на линии подачи аммиачной воды, при этом датчиком 21 измер ют расход аммиачной воды.

Контур регулировани  отбора среды включает датчик 22 расхода на линии

отбора среды, регул тор 23 и исполнительный механизм 24 на линии отбора среды, а также датчиком 25 измер ют концентрацию остаточного субстрата в отводимой среде.

5

0

5

0

Кроме того, система автоматического управлени  содержит блок 26 определени  текущей скорости роста микроорганизмов, входы которого св заны с датчиком 21 расхода аммиачной воды, с датчиками 18 и 5 кислотности рИ среды и подаваемого субстрата, с датчиками 2 и 22 расхода субстрата и отводимой среды, а выход - с интегратором 27, другой вход которого соединен с блоком 28 синхронизации. Выход интегратора 27 через блок 29 делени  подключен к экстремальному регул тору 30, а выход последнего через блок 31 формировани  амплитуды колебаний св зан с блоком 32 умножени , другой вход которого через блок 33 переключений соединен с датчиком 25 концентрации остаточного субстрата . При этом выход блока 32 умножени  и выход задатчика 34 концентрации питательного субстрата подключен к сумматору 35, выход которого соединен с входами регул торов 3 и 7 подачи субстрата и питательных солей на- ферментер.

Система работает следующим образом .

Сигнал, пропорциональный текущей скорости роста микроорганизмов, формируетс  в блоке 26 согласно уравнению () по сигналам от датчиков 18, 5, 21, 2 и 22 кислотности рН культу2 ральной среды и субстрата, расходов аммиачной воды, подаваемого субстрата и отводимой среды. С выхода блока 26 сигнал поступает на интегратор 27, в котором происходит суммирование мо0 ментных значений скорости роста микроорганизмов за определенный период, времени. Врем  интегрировани  зависит от инерционности процесса (например, изменение амплитуды колебаний вызыва5 ет переходный процесс, после завершени  которого устанавливаютс  посто нные циклические колебани ). Врем  интегрировани  - это врем  переходного процесса.

0

Работой интегратора 27 управл ет

блок 28 синхронизации, который задает период интегрировани , после окончани  этого периода передает информа- 55 цию интегральной суммы на блок 29. делени  и осуществл ет сброс интегратора 27. В блоке 29 делени  происходит деление входного сигнала интегральной суммы на длительность периода

интегрировани . Сигнал блока 29 делени , пропорциональный средней скорости роста, поступает на экстремальный регул тор 30, последний осуществл ет поиск максимальной скорости роста путем управлени  амплитудой колебаний концентрации субстрата. Сигнал с выхода экстремального регул тора подаетс  на блок 31 формировани  амплитуды колебаний, откуда сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, поступает на блок 32 умножени .

В блоке умножени  амплитуда колебаний умножаетс  на одиночный положи ,

тельный или отрицательный сигнал, ко

торый подаетс  с блока 33 переключений , который функционирует следу 01цим образом.

На вход блока переключений поступает сигнал датчика 25 остаточной концентрации субстрата. Блок переключений также содержит информацию о допустимых пределах концентраций остаточного субстрата дл  данного процесса . Как только концентраци  остаточного субстрата достигает нижний заданный предел, на выходе блока формируетс  положительный сигнал. И наоборот , при достижении верхнего предела , формируетс  отрицательный сигнал Таким образом, по сигналу датчика 25 остаточной концентрации, учитыва  наложенные ограничени  на концентрацию остаточного субстрата в отводимой среде, блок 33 переключений управл ет знаком амплитуды колебанн й.

,

На выходе 32 блока умножени  формируютс  пр моугольные импульсы, амплитудой которых управл ет экстремаль-40 матором, а также задатчиком концентный регул тор, а периодом,- блок 33 переключений по сигналу датчика 25 остаточной концентрации субстрата. Импульсы выхода блока 32 умножени  подаютс  на сумматор 35, где они складываютс  с посто нным сигналом задатчика 34 концентрации питательного субстрата и поступают на вход регул тора 3 подачи субстрата и на вход регул тора 7 подачи питательных солей как сигнал задани . Среднее значение концентрации субстрата в ферментере задаетс  задатчиком 34 и соответствует оптимальному значению

рации питательного субстрата и блоками синхронизации и переключений, при этом последний св зан с датчиком остаточной концентрации субстрата и

45 блоком умножени  соединенным через сумматор с регул торами подачи питательного субстрата и питательных солей на ферментер, при этом выходы блоков определени  текущей скорости

50 роста микроорганизмов и синхронизации подключены к входам интегратора, а выход задатчика концентрации питательного субстрата соединен с сумматором . .

ВНИИПИ, Заказ 3433/29 Тираж 499 Подписное Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектна , А

концентрации субстрата в стационарных услови х культивировани . Контуры регулировани  подачи субстрата и питательных солей на ферментер обес- 5 печивают принудительные колебани  концентрации питательных веществ в ферменте.

Предлагаема  система позвол ет повысить скорость роста микроорганиз- 0 мов на 8,8% по сравнению с известной системой при одинаковом расходовании питательных веществ и вести биотехнологический процесс так, чтобы обеспечить повышение производительности 15 микробиологического синтеза и эффективность использовани  питательных веществ.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Система автоматического управлени  циклическим процессом непрерывного выращивани  микроорганизмов, со

   держаща  датчики остаточной концент- рации субстрата, расхода аммиачной воды и кислотности питательного субстрата , блок определени  текущей скорости роста микроорганизмов, контуры регулировани  подачи субстрата, питательных солей, температуры среды, уровн  в ферментере, рН среды, растворенного кислорода и отбора среды из ферментера, отлич ающа - с   тем, что, с целью повьшени  вы- хода биомассы, она снабжена последовательно соединенными интегратором, блоком делени , экстремальным регул тором , блоком формировани  амплитуды колебаний, блоком умножени  и сумрации питательного субстрата и блоками синхронизации и переключений, при этом последний св зан с датчиком остаточной концентрации субстрата и

   45 блоком умножени  соединенным через сумматор с регул торами подачи питательного субстрата и питательных солей на ферментер, при этом выходы блоков определени  текущей скорости

   50 роста микроорганизмов и синхронизации подключены к входам интегратора, а выход задатчика концентрации питательного субстрата соединен с сумматором . .