Claims (2)
Указанна цель достигаетс тем, что система автоматического управлени периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере, содержаща контуры регулировани температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомассы, включающие датчик, регул тор и исполнительный механизм, установленный соответственно на линии подачи охлаждающей воды, стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, бло3 ки реализации адаптивной модели и отработки управл ющих воздействий, снабжена блоком сравнени , исполнительным механизмом, установленным на линии подачи стерильной воды, и датчиками концентрации продукта био синтеза и уровн в ферментере, при этом последний через программный бло и блоки (Коммутации подключен к ис-. полнительным механизмам, установленным соответственно на лини х подачи стерильного воздуха и стерильн воды и питательных веществ, причем датчик концентрации продукта биосинтеза св зан непосредственно с бл ком адаптивной модели и через блоки дифференцировани и запоминани с. блоком сравнени , а последний соединен с блоками коммутации при помо щи дополнительного командного блока На чертеже схематично изображена система автоматического управлени периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере. Система автоматического управлеии содержит ферментер 1, контуры регулировани температуры, аэрации, кислотности и концентрации биомасс включающие датчик 2 температуры, ре гул тор 3 и исполнительные механизмы А-7, установленные соответственно на линии подачи охлаждающей воды стерильного воздуха, аммиачной воды и питательных веществ, блоки 8 и 3 реализации адаптивной модели и отработки управл ющих воздействий, блок 10 сравнени , исполнительный механизм 11, установленный на линии подачи стерильной воды, и датчики 12 и 13 концентрации лродукта биосинтеза и уровн культуральной жидкости в ферментере 1. Система содержит также датчик кислотности среды (рН), выход которого соединен с входом регул тора 1 датчики 16-Т8 концеь5трации микроорганизмов , углеводов и растворенного кислорода, блоки 19-21 коммутации, блок 22 дифференцировани по времени , блок 23 запоминани , командный блок 2Ц, регул тор 25 концентрации углеводов в культуральной жидкости, сумматор 26, вспомогательную емкость 27 дл подачи питательных веществ а ферментер 1, регул тор 28 расхода стерильной воды, поступающе 3 ферментер 1 из подпиточиой емкости 29:- и программный блок 30. k4 Датчик 13 уровн культуральной жидкости в ферментере 1 через программный блок 30 и блоки 19-21 коммутации подключен к исполнительным механизмам 6, 11 и 7, установленным соответственно на лини х подачи стерильного воздуха, стерильной воды и питательных веществ. Датчик 12 концентрации продукта биосинтеза св зан непосредственно с блоком 8 адаптивной модели и через блоки 22 и 23 дифференцировани и запоминани с блоком 10 сравнени , при этом последний соединен с блоками 19-21 коммутации при помощи командного блока This goal is achieved by the fact that the automatic control system for the periodic process of biosynthesis of microorganisms in the fermenter, containing contours for controlling temperature, aeration, acidity and biomass concentration, including a sensor, a regulator and an actuator installed respectively on the cooling water, sterile air and ammonia water supply lines and nutrients, block implementation of the adaptive model and the development of control actions, equipped with a comparison unit, actuator installed on the supply line of sterile water, and sensors of concentration of the product of biosynthesis and level in the fermenter, while the latter is through a software unit and blocks (Switching is connected to the use of actuators installed respectively on the supply lines of sterile air and sterile water and nutrient substances, the concentration sensor of the biosynthesis product being connected directly to the block of the adaptive model and through the units of differentiation and memory. the comparison unit, and the latter is connected to the switching units by means of an additional command unit. The drawing schematically shows a system for automatically controlling the periodic process of the biosynthesis of microorganisms in the fermenter. The automatic control system contains a fermenter 1, control circuits for temperature, aeration, acidity and biomass concentration including temperature sensor 2, controller 3 and actuators A-7, installed respectively on the cooling water supply line of sterile air, ammonia water and nutrients, blocks 8 and 3 of the implementation of the adaptive model and the testing of control actions, the comparison unit 10, the actuator 11 installed on the sterile water supply line, and sensors 12 and 13 of the product concentration biosynthesis and culture liquid level in the fermenter 1. The system also contains a medium acidity sensor (pH), the output of which is connected to the input of controller 1; sensors 16-T8 at the end of the microorganism, carbohydrates and dissolved oxygen, block 19-21 of switching, block 22 of time differentiation , a memory unit 23, a command unit 2C, a carbohydrate concentration regulator 25 in the culture fluid, an adder 26, an auxiliary tank 27 for supplying nutrients to the fermenter 1, a sterile water consumption regulator 28, incoming 3 enzymes 1 from feed tank 29: - and program block 30. k4 Sensor 13 of culture fluid level in fermenter 1 is connected via program block 30 and switching blocks 19-21 to actuators 6, 11 and 7, installed respectively on the sterile air supply lines, sterile water and nutrients. The sensor 12 of the concentration of the product of biosynthesis is connected directly with the block 8 of the adaptive model and through the blocks 22 and 23 of differentiation and storage with the block 10 of the comparison, the latter being connected to the blocks 19-21 of switching using a command block
2. Выход блока 19 коммутации подключен к входу регул тора 31 подачи воздуха в аппарат, а выход регул тора 31 соединен с исполнительным механизмом 6 подачи стерильного воздуха . Система работает следующим образом . Процесс получени продуктов вторичного метаболизма аэробных микроорганизмов , в частности аминокислот, например лизина, требует соблюдени жестких требований к параметрам среды по температуре и кислотности. Полученные искусственным путем мутанты продуценты целевого продукта чувствительны к изменению внешних условий, что требует поддержани температуры и рН среды на посто нном уровне. Стабилизаци температуры и кислотности среды осуществл етс следующим образом . Сигналы от датчиков 2 и 14 температуры и кислотности среды поступают на входы регул торов 3 и 15. на которых предварительно установлены в качестве задани оптимальные значени этих параметров, которые сравниваютс с поступающими с датчиков 2 и сигналами. Возникающий при этом си|- нал рассогласовани по каждому параметру вызывает соответствующее изменение сигнала на выходе регул торов 3 и 15, устанавливающих с помощью исполнительных механизмов А и 5 значени температуры и кислотности , соответствующие оптимальным услови м протекани процесса микробиологического синтеза, путем подачи хладагента и аммиачной воды. Изменение управл ющих воздействий при отклонении параметра управлени от задаваемого оптимального уровн осу5 ществл етс так, чтобы миниминизировать разность текущего и задаваем го значени параметра. Кинетика процесса роста и развити аэробных микроорганизмов и си теза продуктов их жизнеде тельности осуществл етс следующим образом. В начальный период ферментации происходит интенсивный процесс деле ни клеток и увеличение их размеров что приводит к увеличению концентра ции микроорганизмов в среде по закону , близкому к экспоненциальному. Образование новых клеток происходит вследствие переработки углеводов и поэтому концентраци последних в среде резко уменьшаетс . Растворенный в культуральной жидкости кислород расходуетс на образование новы клеток и на поддержание жизнеде тел ности существующих, поэтому концент раци кислорода в среде монотонно уменьшаетс . По истечении некоторого периода времени - лагфазы, составл ющей 6 .8 ч, клетки синтезируют целевой про дукт, концентраци которого в среде постепенно увеличиваетс по закону, близкому к экспоненциальному. Через ч характер зависимости концентрации субстратов от времени мен етс , число дел щихс клеток умен шаетс , и прирост концентрации микр организмов в среде постепенно исчезает , а абсолютна величина этой концентрации становитс посто нной. Углеводы расходуютс только на образование целевого продукта, и темп снижени их концентрации в среде уменьшаетс . Растворенный в культуральной жидкости кислород расходуетсЯв основном на поддержание жизнеде тельности существующих клеток, поэтому его концентраци постепенно повышаетс . Единственным управл ющим воздействием на ход процесса вл етс количество воздуха, подаваемого на аэрацию, которое измен ет концентрацию растворенного в среде кислорода и, следовательно, вли ет на концентрацию всех остальных субстратов . Математическое выражение в виде зависимости концентрации растворенного кислорода от текущей информации о состо нии культуры набираетс в блоке 8 реализации адаптивной мо1дели . При поступлении информации на вход блока 8 реализации адаптивной kk6 модели от датчиков 16, 17, 12 и 18 концентрации микроорганизмов, углеводов , целевого продукта и растворенного кислорода математическое выражение решаетс и вычисленное значение передаетс на вход блока 9 управл ющих-воздействий, где отрабатываютс управл ющие воздействи определенной величины, которые через канал св зи поступают на задающий вход регул тора 31, устанавливан цего с помощью исполнительного механизма 6 соответствующие значени расхода аэрирующего воздуха. Одновременно сигнал с датчика 12 концентрации продукта биосинтеза поступает на блок 22 дифференцировани по времени , в котором вычисл етс производна по времени от значени концентрации целевого продукта. Вычисленное значение поступает на блок 23 запоминани значени производной в предыдущий момент времени и блок 10 сравнени , в котором сравниваютс текущее значение производной по времени концентрации целевого продукта со значением этой же величины в предыдущий момент времени, например в предыдущую минуту при дискретном измерении. Если текущее значение производной выше ее значени в предшествующий момент времени, с командного блока 2 на управл ющие вхоцы блоков коммутации подаетс сигнал, который обусловливает в блоке 19 соединение выхода блока 9 отработки управл ющих воздействий с входом регул тора 31, а в блоках 20 и 21 - коммутацию выхода командного блока 2Ц на входы регул торов 25 и 28 концентрации углеводов в культуральной жидкости и расхода стерильной воды, причем сигнал с командного блока 2 осуществл ет такое задание регул торам 25 и 28, которое устанавливает исполнительные механизмы 7 и 11 подачи питательных веществ и стерильной воды в положение максимального закрыти . В момент, когда текущее значение производной по времени от концентрации целевого продукта станет меньше или равным значению этой же величины в предыдущий момент времени, с выхода командного блока 24 даетс сигнал на управл ющие входы блоков 19 21 коммутации, которые с этого момента осуществл ют коммутацию сигнаов с выходов датчиков 16-18 на вхо7gZt ды регул торов 31s 25 и 28. С этого момел-гга, соответствующего досги«енин: максимальной скорости биосинте за целевого продукта, подаютс такие сигналы, которые установ т исполнительные механизмы 7 и 11 в положение , при котором обеспечиваетс посто истБО концентраций углеводов, микроорганизмов и растворенного кисл рода в среде. 8 аппарате поддерживаютс услови Д.ПЯ максимальной скорост биосинтеза целевого продукта. Сумматор 26 отрабатывает управл ющее воздействие, равное разности между сигналами с регул торов 28 и 25. Необходимость такого вычитани обусловлена тем, что с регул тора 28 расхода стерильной воды подаетс сиг ивл5 обеспечивающий расход подпиточной жидкости, который застабилизирует концентрацию микроорганизмов в среде, а дл поддержани концентраци расходуемых питательных веществ в ферментер 1 подаетс концентрированный раствор углеводов, который также разбавл ет биомассу. Поэтому из емкости 29 стерильной воды раС Гчодуетс жидкости на ееличину расхода растзора углеводов меньше, так что суммарный расход пОДПито.чкой жидкости обеспечивает посто нство концентрйлии .микроорганизмоз. Практически расход жидкости дл рззбзблени : бмонзссы больше расхо да концентрированного раствора углеiopjos , если : зстаор достаточно концентрированный , например. 2Q-3 %, поз.тому зыходной сигнал, су тматора 16 всегда положительный. За счет сеии: -юдниточных жид ;ocтeй объем культуральной жидкости в аппарате узеличивеетс аг1лоть до достижени макс/ мально возможной величины, после чего сигнал с датчика 13 уровн ку 1ьтурйльной жидкости поступает на 5,чод nporpafJMHoro блока 30, который дает. комсИ1Ду на переключение комму блоков в исходное положен;--8 ,, т,е, прекращаетс коммутаци С(ГН5лов с датчиков на Едоды регул торов ЗЬ 25 и 28s и сиг нал чс,«.мутир уетс с выхода 9 отработки управл ющих воздействий на эдод регул тора 31 через блок 19 коммутации} а сигнал с командного блока 2k, поступающий на входы ре- гул тороз 25 и 28, осуществл ет уста ноэлен е исполнительных механизмов 7 и 11 S положение максимального закрыти . Подача подпитки прекращаетс , Управление на заключительной стадии процесса осуществл етс подачей воздуха в соответствии с адаптивной моделью. Ферментаци может быть прекращена при выполнении регламентных ограничений, например, при снижении концентрации углеводов в среде до допустимого уровн . Предлагаема система автоматического управлени периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере позвол ет по сравнению с известной увеличить выход целевого продукта на 2% путем оптимального проведени периодического процесса биосинтеза с подпиткой. Формула изобретени Система автоматического управлени периодическим процессом биосинтеза микроорганизмов в ферментере, содержаща контуры регулировани температуры , аэрации, кислотности и концентрации биомассы, включающие датчик, регул тор и исполнительный механизм, установленный соответственно на .линии подачи охлаждающей воды, стерильноговоздуха, аммиачной воды и питательных веществ, блоки реализации адаптивной модели и отработки управл ющих воздействий, отличающа с тем, что, с целью повышени выхода целевого продукта, она снабжена блоком сравнени , исполнительным механизмом, установленным на линии подачи стерильной воды, и датчиками концентрации продукта биосинтеза и уровн в ферментере, при этом последний через программный блок и блоки коммутации подключен к исполнительным механизмам установленным соответственна на лини х подачи стерильного воздуха и стерильной боды и питательных веществ , причем датчик концентрации продукта биосинтеза св зан непосредственно с блоком адаптивной модели и через блоки дифференцировани и запоминани с блоком сравнени ,а последний соединен с блоками коммутации при помощи дополнительного командного блока. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Работнова И.Л, Хемостатное культивирование и ингибирование рос та. И., Наука, 1979, с. 17. 2,Авторское свидетельство СССР № 88847, кл, С 12 В 1/08, 1972,2. The output of the switching unit 19 is connected to the input of the air supply regulator 31 into the apparatus, and the regulator output 31 is connected to the actuator 6 for the supply of sterile air. The system works as follows. The process of obtaining the products of the secondary metabolism of aerobic microorganisms, in particular amino acids, such as lysine, requires compliance with stringent requirements for environmental and temperature parameters. The artificially obtained mutant producers of the target product are sensitive to changes in external conditions, which requires maintaining the temperature and pH of the medium at a constant level. The temperature and acidity of the medium are stabilized as follows. The signals from the sensors 2 and 14 of the temperature and acidity of the medium are fed to the inputs of the regulators 3 and 15. On which the optimal values of these parameters are preset as a task, which are compared with those coming from the sensors 2 and the signals. The occurrence of the | | error mismatch over each parameter causes a corresponding change in the signal at the output of regulators 3 and 15, which set the values of temperature and acidity using actuators A and 5, corresponding to the optimal conditions for the microbiological synthesis process, by supplying refrigerant and ammonia water. Changing the control actions when the control parameter deviates from the specified optimal level is implemented in such a way as to minimize the difference between the current and set the parameter value. The kinetics of the process of growth and development of aerobic microorganisms and the state of the products of their vital activity is carried out as follows. In the initial period of fermentation, there is an intensive process of cell division and an increase in their size, which leads to an increase in the concentration of microorganisms in the medium according to a law that is close to exponential. The formation of new cells occurs as a result of the processing of carbohydrates, and therefore the concentration of the latter in the medium decreases sharply. The oxygen dissolved in the culture liquid is spent on the formation of new cells and on the maintenance of the viability of existing ones, therefore the oxygen concentration in the medium monotonously decreases. After a certain period of time, the lag phase, which is 6 .8 hours, the cells synthesize the target product, whose concentration in the medium gradually increases according to a law close to exponential. After h, the nature of the dependence of substrate concentration on time varies, the number of dividing cells decreases, and the increase in the concentration of microorganisms in the environment gradually disappears, and the absolute value of this concentration becomes constant. Carbohydrates are consumed only for the formation of the target product, and the rate of decrease in their concentration in the medium is reduced. The oxygen dissolved in the culture liquid is spent mainly on maintaining the viability of existing cells, so its concentration gradually rises. The only controlling effect on the process is the amount of air supplied to aeration, which changes the concentration of oxygen dissolved in the environment and, therefore, affects the concentration of all other substrates. The mathematical expression in the form of the dependence of the concentration of dissolved oxygen on the current information on the state of the culture is collected in block 8 of the implementation of the adaptive model. When information arrives at the input of the implementation unit 8 of the adaptive kk6 model from sensors 16, 17, 12 and 18 of the concentration of microorganisms, carbohydrates, the target product and dissolved oxygen, the mathematical expression is solved and the calculated value is transmitted to the input of the control-actions unit 9, where the control The effects of a certain value, which through the communication channel arrive at the driver input of the controller 31, are set by means of the actuator 6 to the corresponding values of the flow rate of the aeration air. At the same time, the signal from sensor 12 of the concentration of the product of biosynthesis enters time differentiation unit 22, in which the time derivative of the concentration of the target product is calculated. The calculated value is fed to the unit 23 storing the value of the derivative at the previous time and unit 10 of the comparison, which compares the current value of the time derivative of the concentration of the target product with the value of the same value at the previous time, for example, in the previous minute in a discrete measurement. If the current value of the derivative is higher than its value at the previous time, a signal is sent from the command block 2 to the control inputs of the switching blocks, which in block 19 causes the control output of the block 9 to control inputs 31, and in blocks 20 and 21 - switching the output of the command unit 2C to the inputs of the regulators 25 and 28 of the carbohydrate concentration in the culture liquid and the flow of sterile water, and the signal from the command unit 2 performs this task to the regulators 25 and 28, which sets the tional mechanisms 7 and 11, supply of nutrients and sterile water in a position of maximum closure. At the moment when the current value of the time derivative of the concentration of the target product becomes less than or equal to the value of the same value at the previous time, the output of the command unit 24 is given a signal to the control inputs of the switching units 19 and 21, which from that moment switch the signals From the outputs of sensors 16-18 to inputs 7ZZ d of regulators 31s 25 and 28. From this mome-gga, the corresponding dosy "Yenin: the maximum biosynth speed for the target product, such signals are set that actuators 7 are installed 11 to the position at which the carbohydrates provided istBO constant concentration of microorganisms and dissolved sour kind of the medium. 8, the apparatus maintains the conditions of DPF maximum biosynthesis rate of the target product. The adder 26 processes the control action equal to the difference between the signals from the regulators 28 and 25. The need for such subtraction is due to the fact that the sterile water flow regulator 28 is supplied with a signal 5 that ensures the flow rate of the make-up fluid, which stabilizes the concentration of microorganisms in the medium, and to maintain the concentration of nutrients consumed in the fermenter 1 is supplied with a concentrated solution of carbohydrates, which also dilutes the biomass. Therefore, from the tank 29 of sterile water of the Gdoduets liquid for the amount of consumption of the carbohydrate solution is less, so the total consumption of the liquid in the liquid ensures the stability of the microorganism. In practice, the flow rate of the liquid is not enough: the blends are greater than the consumption of the concentrated carbon-iopjos solution, if: the stopper is sufficiently concentrated, for example. 2Q-3%, because of the output signal, the match 16 is always positive. At the expense of sowing: -unit liquids; the volume of the culture fluid in the apparatus is narrowed down to reach the maximum / minimum possible value, after which the signal from the sensor 13 level of 1-fluid liquid goes to 5, the unit nporpafJMHoro, which gives. comSi1Du on switching the comm blocks to the initial one; - 8 ,, t, e, switching C stops (from the sensors to the controllers 3 and 25 s and the signal, "mutates from the output 9 of the control actions on regulator 31, through switching unit 19} and the signal from the command unit 2k, which enters the inputs of the brakes 25 and 28, installs the actuators 7 and 11 S to the maximum closing position. process is carried out by supplying air in accordance and with an adaptive model. Fermentation can be terminated when the prescribed restrictions are met, for example, by reducing the concentration of carbohydrates in the medium to an acceptable level. The proposed system for automatic control of the periodic process of biosynthesis of microorganisms in the fermenter makes it possible to increase the yield of the target product by 2% by optimal conduct of the periodic process of biosynthesis with water. Claims The system of automatic control of the periodic process of microbial biosynthesis in a fermenter, comprising temperature, aeration, acidity and biomass concentration control circuits, including a sensor, a regulator and an actuator installed respectively on the cooling water, sterile air, ammonia and nutrients lines, blocks of implementation of the adaptive model and testing of control actions, characterized in that, in order to increase the yield of the target product, it packed with a comparison unit, an actuator installed on the sterile water supply line, and sensors for the concentration of the biosynthesis product and level in the fermenter, the latter being connected to actuators installed respectively on the sterile air supply and sterile baud and nutrient through a software block and switching units. substances, the concentration sensor of the biosynthesis product is connected directly with the block of the adaptive model and through the blocks of differentiation and memorization with the block Yeni, and the latter is connected to the switching block by means of an additional command unit. Sources of information taken into account in the examination 1.Labotnova I.L., chemostat cultivation and growth inhibition. I., Science, 1979, p. 17. 2, USSR Author's Certificate No. 88847, class, C 12 V 1/08, 1972,