Система управления процессом культивирования микроорганизмов

Система управления процессом культивирования микроорганизмов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСН ИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„ I 320225

А2 (gg 4 С 12 (} 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ (61) 635736 (21) 3988997/30-13 (22) 10. 12.85 (46) 30.06.87. Бюл. Р 24 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биосинтеза белковых веществ (72) К.А.Яновский, P.Â.Êàòðóø, Ю.Г.Козлов, В.А.Маркелов, Б.П.Пантелеев, В.И.Шихер, А.Е.Сычев, Н.Н.Соболев, В.В.Сеничкин и И.И.Карташев (53) 663.15(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 635736 ° кл. С 05 D 27/00, 1976. (54) СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

;(57) Изобретение может быть использовано в производстве белково-вита минных концентратов, ферментов,антибиотиков. Цель изобретения состоит в уменьшении расходных коэффициВНТоВ и загрязнения окружающей среды за счет быстрого уменьшения концентрации остаточного парафина, азота и Aochopa в ферментере путем резкого (импульсного) уменьшения подачи парафина, азота и фосфора, следстви-. ем чего является уменьшение концентрации остаточного парафина, азота и фосфора по всему объему аппарата, так как аппарат по своим гидродинамическим характеристикам можно считать аппаратом идеального перемешивания. Резкое уменьшение излишних парафина, азота и фосфора в культуральной жидкости, 60Х которой идет в стоки (остальные 40Х возвращаются в аппарат) уменьшает загрязнение окружающей среды. Система содержит подсистему быстрого уменьшения концентрации остаточных парафина, азота и фосфора, включающую в себя блок

13 сравнения, реле 14 времени и блок

15 импульсной подачи компонентов питания, один иэ входов блока 13 срав l32022 кения связан с выходом блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, другой — с выходом устройства 7 ввода данных химического анализа, а выход блока 13 сравнения соединен с реле 14 времени, нормально замкнутые контакты которого соединяют через ключ 12 управления блок 11 формирования сигналов коррекции управляемых параметров с блоком 3 сумматоров, а нормально разомкнутые контакты соединяют выход блока 15 импульсной подачи компонен1 тов питания с блоком 3 сумматоров, а вход его. соединен с блоком 2 датчи.ков контролируемых параметров процесса ферментации, блоком 6 начальных уставок управляемых параметров, устройством 7 ввода данных химического анализа и реле 14 времени. При выходе значения остаточных концентраций компонентов за заданные верхние и где PR. — подача i-ro компонента питания до срабатывания блока сравненйя;

S. иБ.

1 Зад текущее и заданное эначения концентрации i-ro компонента питания; объем аппарата, V

1 ил.

5 нижние значения блок сравнения включает реле 14 времени, нормально разомкнутый контакт которого замыкается на заданное время Т, и тогда сигнал коррекции с блока 11 формирования на это время Т перестает поступать на блок 3 сумматора. Реле 14 времени включает блок 15 импульсной подачи компонентов питания для подачи соответствующего компонента питания.

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может .найти применение на заводах белкововитаминных концентратов, ферментов, антибиотиков, в производствах, связанных с культивированием микроорганизмов, и является усовершенствованием известной системы управления процессом культивирования микроорганизмов по авт.св. Ф 635736. 10

Известна система управления процессом культивирования микроорганизмов в ферментере, включающая пульт управления, блок датчиков контролируемых параметров, связанный с первым входом пульта управления, устройство ввода данных химического анализа, связанное со вторым входом пульта управления, блок начальных уставок управляемых параметров, блок исполнительных механизмов, блок суммирования, к одному входу которого подключен пульт управления, второй вход соединен с блоком начальных ус25 тавок управляемых параметров, а выход — с блоком исполнительных механизмов, блок сканирующих микроскопов, вычислитель морфологических призйаков, блок памяти, блок формирования сигналов коррекции, при этом к входам блока памяти подключен блок датчиков контролируемых параметров, устройство ввода данных химического анализа, пульт управления, вычислитель морфологических признаков, один из входов которого соединен с.первым выходом блока памяти, второй вход через блок. сканирующих микроскопов связан с ферментером,а второй выход - с пультом управления, второй выход блока памяти подсоединен к блоку формирования сигналов коррекции, входы которого соединены с блоком датчиков контролируемых параметров, вычислителем морфологических признаков, устройством ввода данных химического анализа, а выход блока формирования сигналов коррекции посредством ключа управления соединен с пультом управления и блоком суммирования.

Целью изобретения является уменьшение расходных коэффициентов и уменьшение загрязнения окружающей среды.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемой системы управления

13? 0225 4 процессом культивирования микроорганизмов.

Система состоит из ферментера 1, блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации,блока

3 сумматоров, блока 4 исполнительных механизмов, пульта 5 управления, блока

6 начальных уставок управляемых гараметров, устройства 7 ввода данных химического анализа, блока 8 скани- 10 рующих микроскопов, вычислителя 9 отличительных морфологических и статистических признаков культуры микроорганизмов, блока 10 памяти отличительных признаков процесса фермента- 15 ции и удовлетворительных решений на изменение управляемых параметров,блока 11 формирования сигналов коррекции управляемых параметров, ключа 12 управления, блока 13 сравнения, ре- 20 ле 14 времечи и блока 15 импульсной подачи компонентов питания. Секции ферментера 1 соединены с блоком 8 сканирующих микроскопов, на выходе которых датчики оптической плотности 25 (не показаны) соединены с первым входом вычислителя 9 морфологических признаков культуры микроорганизмов, а второй вход вычислителя 9 соединен с выходом блока 10 памяти. В по- 30 следнем записаны удовлетворительные решения на изменение управляемых параметров, а также отличительные морфологические и статистические признаки культуры микроорганизмов, на основании которых ранее были приняты удовлетворительные решения,улучшившие экономические показ атели процесса ферментации (количество и качество продукта).В блок 10 памяти посту- 4р лают также данные с блока датчиков контролируемых параметров процесса ферментации и с блока 7 ввода данных химического анализа. Выход блока .0 соединен с входом блока 11 сигналов коррекции„ на вход которого поступают данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9, Для определения момента выхода остаточной концентрации 1-ro компонента питания за регламентные значения один из входов блока 13 сравнения связан с выходом блока 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации,другой — с выходом устройства 7 ввода данных химического анализа, а для запуска в этот момент времени реле 14 выход блока 13 сравнения соединен с реле 14 времени, нормально замкнутые контакты которого обеспечивают прохождение оптимальных сигналов коррекции до на— ступления э-ого момента времени, для чего они соединяют через кгюч 12 управления блок 11 формирования сигналов коррекции управляемых параметров с блоком 3 сумматоров, после срабатывания реле 14 времени нормально разомкнутые контакты соединяют выход блока 15 импульсной подачи компонентов питания с блоком 3 сумматоров, т.е. на ферментер поступает резкое (импульсное) изменение (уменьшение)

i-ro компонента питания, а выход блока 15 импульсной подачи компонентов питания соединен с блоком 2 датчиков контролируемых параметров процесса ферментации, блоком 6 начальных уставок управляемых параметров, устройством 7 ввода данных химического анализа и реле 14 времени.

Таким образом, эа счет импульсного изменения подачи -го компонента питания остаточная концентрация S.

1 которого в аппарате вышла за регламентные значения,эта концентрация за время Т действия импульса (с расчетной амплитудой А) принимает заданное значение S: „,„„.

Система работает следующим образом.

Работа системы начинается с процесса обучения, для чего ключ 12 устанавливают в нейтральное положение. На пульт 5 управления и в блок

10 памяти поступают данные с блока

2 датчиков контролируемых физикохимических параметров, с вычислителя 9 отличительных морфологических признаков культуры микроорганизмов и химические данные с устройства 7.

По этим данным с пульта 5 управления принимают решение изменить в определенной последовательности некоторые диапазоны управляемых контролируемых параметров,,задаваемых блоком 6.

Значения величины и знака изменений подачи в ферментер 1 компонентов, регулирующих эти параметры,поступают с пульта 5 управления в блок

10 памяти, где они записываются на одну страницу рядом с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9, для которых принято решение на изменение параметров. Если решение положительное, то эта страница с данными блоков 2, 7 и вычислителя 9 соответствующим

1320225 (S> — Я; „) V

PR.

5 решением на изменение величины и знака компонента остается в блоке 10 памяти. Если решение отрицательное в . случае уменьшения выхода биомассы и ухудшения ее качества, то страница стирается из памяти. На этой же странице записывается, во сколько раз увеличивается экономический показатель.

С заданным дискретом по времени 10 описанный цикл повторяется, и из набранных страниц для данного типа сырья, например парафйна, в блоке 10 памяти составляется книга. Нулевые значения величины на изменение ком- 15 понент и получаемые при этом положительные решения также записываются

s блок 10 памяти.

При обучении нет необходимости задавать условия для отклонения про- 20 цесса от норм, а требуется обрабатывать реально текущие процессы. После окончания обучения, проходящего в течение некоторого времени (недели, месяцы) „ производится математическая 25 обработка полученных результатов (выбор метрики, весовых коэффициентов и т.д.), а затем ключ 12 ставится в такое положение, при котором система работает в режиме советчика (по- ЗО луавтомата) следующим образом.

Текущие данные с блоков 2, 7 и вычислителя 9 (т.е. существенно-информационные признаки процесса) поступают в блок 11 формирования сигна- g5 лов, где они сравниваются по одному из алгоритмов распознавания образов с данными, записанными на страницах в блоке 10 памяти с соответствующими решениями. Блок 11 выбирает из блока 4g

10 памяти данные той страницы книги для заданного типа сырья, которые ближе всего к данным текущего процесса, и с этой страницы берется записанное ранее положительное решение 45 на изменение корректирующих значений изменений регулирующих параметров.

В этом случае, если в режиме сонетчика система работает удовлетворительно, то ключ 12 ставится в поло-- 50 жение, при котором система переводится в автоматический режим работы,,причем удовлетворительной считается такая работа системы, когда при выполнении ее команд (советов) зкономи- 555 ческий показатель не ниже того, который записан на странице памяти.Если он оказывается выше, то прежняя страница стирается и для данного показателя записываются новые даннь1е и решения по ним, В качестве существенно-информационных признаков процесса ферментации (классов), которые записываются в блок 10 памяти при проведении реального процесса на заводе, принимаются показания датчиков контролируемых параметров по всей технологической линии процесса ферментации и морфологические параметры (определяемые вычислителем 9) культуры микроорганизмов (самих микроорганизмов, включений в них и в среде) из различных секций ферментера 1и из необходимых точек технот.огической линии процесса ферментации.

Морфологические параметры включают в себя геометрические размеры, форму, число частиц различной формы и включений и т,д., причем в качестве признаков принимаются статические характеристики этих параметров, статистические характеристики культуры микроорганизмов, рассчитанные по сигналу датчика оптической плотности сканирующего микроскопа, данные химическогс анализа с устройства 7. Система управления процессом ферментацни приходит в равновесие, когда признаки текущего процесса совпадают с признаками эталонного (оптимального).

Если значения остаточных концентраций компонентов питания, измеряемых блоком 2 и устройством 7, выходят за заданные верхние и нижние значения (например, парафин S = 0,4

0,8 кг/м, азот N = 0,2 — 0,4 кг/м фосфор Р 0 = 0,15 — 0,25 кг/мЗ), то блок 13 сравнения включает реле 14 времени, нормально замкнутый контакт которого размыкается, а нормально разомкнутый контакт замыкается на заданное время Т. Тогда сигнал коррекции с блока 11 формирования на время Т перестает поступать на блок 3 сумматоров. Реле 14 времени включает блок 15 импульсной подачи компонентов питания для подачи соответствующего компонента питания где PR. — подача i-го компонента питания до срабатывания срав1370225 нения; заданное (с блока Ь) знаS

4 0(Д чение i-го компонента питания;

S — текущее значение концен-! трации i — го компонента питания;

V — объем аппарата.

Составитель Г. Богачева

Редактор И.Рыбченко Техред И.Попович Корректор Л.Патай

Заказ 2612/22

Тираж 499 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

С вычислителя амплитуды импульса сигнал подачи i-ro компонента питания поступает на блок 3. В результате такого воздействия остаточная концентрация i-x компонентов питания через время Т придет к заданному значению S. „ . Такое быстрое вос1 ЯФ4 становление заданной концентрации дает снижение расходного коэфАициента и уменьшение загрязнения стоков.

Время Т определяется гидродинамическими характеристиками аппарата, т.е. это то время, за которое концентрация i-ro компонента питания в аппарате примет новое значение после импульсного изменения (уменьшения) подачи этого компонента на входе.

Через время Т реле времени опять подключает блок формирования сигналов коррекции по i-My компоненту питания к блоку 3 сумматоров, т.е, продолжается оптимальное управление процессом культивирования микроорганизмов.

Таким образом, использование системы управления процессом культивирования микроорганизмов с дополнительно введенными блоками сравнения, реле времени и импульсной подачи компонентов питания приводит к уменьшению расходных коэффициентов на 3,01 па парафину, на 15 по азоту, на 24K по Аосфору и снижению загрязнения стоков на 37.

Формула изобретения

Система управления процессом культивирования микроорганизмов по авт. св. Р- 635736, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения расходных коэАфициентов и загрязнения окружающей среды, она дополнительно снабжена реле времени, блоком импульсной подачи компонентов питания и блоком сравнения, один из входов последнего

20 связан с выходом блока датчиков контролируемых параметров процесса Аерментации, другой — с выходом устройства ввода данных химического анализа, а выход — с реле времени, нормально замкнутые контакты которой соединены с ключом управления, а нормально разомкнутые контакты — с выходом блока импульсной подачи компонентов питания, причем входы последнего подключены к блоку датчиков контролируемых параметров процесса Аерментации, устройству ввода данных химического анализа, блоку начальных уставок управляемых параметров и ре35 ле времени.