Способ автоматического управленияпроцессом непрерывного культивированиямикроорганизмов и система дляего осуществления

Способ автоматического управленияпроцессом непрерывного культивированиямикроорганизмов и система дляего осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

» 8!0802

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соииалистических

Республик

®1 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 23.04.79 (21) 2760129/28-13 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.03.81. Бюллетень № 9 (45) Дата опубликования описания 07.03.81 (51) М Кл з

С 12 В 1/08

Государственный комитет (53) УДК 663.132 (088.8) па делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

E. Л. Календро и В. Г. Трегуб (71) Заявитель

Киевский технологический институт пищевой промышленности (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ И СИСТЕМА ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к микробиологичсской и пищевой промышленности, и именно к процессам непрерывного выращивания микроорганизмов, например биомасchl кормовых дрожжей.

Известен способ автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, предусматривающий измерение расхода сусла, поступающсго в фсрмснтср, концентрации рсдуцирующих веществ (PB) в сусле и остаточных PB в дрожжевой суспензии, регулирование расхода воды и сусла, поступающих в ферментер, и объема среды в ферментере (Ц.

Известна также система автоматического управления для осуществления этого способа, содержащая контуры регулирования объема среды в ферментере и подачи воды и сусла в ферментер, датчики концентрации PB в сусле и дрожжевой суспензии, два блока умножения и блок определения расхода воды, соединенный с регуляторами контуров регулирования пода. чи воды и сусла в ферментер (1).

Недостатком данного способа управления и системы для его осуществления является наличие колебаний концентрации

PB в дрожжевой суспензии, так как процесс регулирования этого параметра начинается только после отклонения концентрации

1 В от заданного значения. Вследствие достаточно большой инерционности данного канала регулирования возможны довольно

5 значительные колебания концентрации PB в дрожжевой суспензип, а следовательно, и уменыпение выхода микроорганизмов.

Цель изобретения — стабилизация концентрации остаточных PB в дрожжс10 вой суспензип и повышение тем самым выхода микроорганизмов.

Указанная цель достигается тем, что определяют скорость изменения концентрации остаточных PB в дрожжевой cycf15 пснзии и изменение скорости потребления

PB культурой микроорганизмов, а регулирование расхода воды и сусла осуществляют с учетом скорости изменения концентрации остаточных редуцирующих веществ

20 в дрожжевой суспензии и измеHclilIB скорости потребления РВ культурой микроорганизмов.

Система автоматического управления, реализующая способ, снабжена задатчи25 ками суммарного расхода воды и сусла, расхода PB и концентрации остаточных

PB в суспензии, корректирующим олоком, блоком определения изменения скорости потребления PB и блоком дифференцироЗ0 вания, выход которого через первый вход

8l0802

Ьо

15 (5) 20

ЬА

С (6) Qac Qc+ Q °, (21

3 блока умножения связан с одним из входов блока изменения скорости потребления РВ, другой вход последнего через второй блок умножения одновременно подключен к задатчику суммарного расхода воды и сусла, сумматору п блоку определения расхода воды, а выход его прп помощи блока определения изменения расхода сусла соединен с одним из входов корректирующего блока, второй вход которого подключен к задатчику расхода PB и датчику концентрации РВ, прп этом выход корректирующего блока соединен с блоком определения расхода воды, второй вход первого блока умножения связан с датчиком объема, а сумматор подключен к задатчику и датчику концентрации остаточных P B.

Материальный баланс питательных веществ в ферментере выражается следующим уравнением:

Q, С вЂ” А — Я,>„С„,— V " = О, (1), Ж где Q, — приток сусла в ферментер;

С вЂ” концентрация PB в сусле;

Л -- скорость потребления PB растущей биомассой дрожжей;

Qo< — отбор дрожжевой суспепзии из ферментера;

U — объем среды в ферментере;

C„,— остаточная концентрация PB в ферментере.

В практических расчетах принимают, что где Q„— приток воды па разбавление в ферментер.

В случае, если С„, = const, то уравнение (2) принимает следующий вид:

А=О,. С вЂ” (Q, + Q.) С„,, . (3)

Однако в производственных условиях даже прп постоянной скорости поступления РВ в ферментер (Q,. C=const) величина С „.„изменяется вследствие различных возмущающих воздействий на процесс, Это указывает на изменение потребления питательных веществ культурой микроорганизмов. Значение этого изменения можно представить в следующем виде:

ЛА = — (Q,, -, Q.) ЛС„,— V ", (4 ) где ЛС„,— изменение концентрации остаточных РВ, кг/м .

Знак « — » в уравнении (4) показывает, что увеличение С„„происходит при уменьшении скорости потребления питательных веществ микроорганизмами и наоборот.

При изменении Л необходимо изменять подачу PB в ферментер таким образом, чтобы поддерживать величину С„„на неизменном уровне. Дополнительное введео5

30 > 5

G0

4 ппе сигнала по скорости отклонения кон центрации остаточных PB в культурной жидкости, т. е. регулирование в соответстpпи с уравнением (4), значительно ускорит процесс регулирования, за счет чего уменьшаются колебания С„, и произойдет более полное потребление питательных веществ. Это, B свою очередь, приводит к увеличению выхода микроорганизмов из единицы питательного субстрата.

Для устранения колебаний С„, изменяют расход сусла в ферментер таким образом, чтобы изменение. скорости притока питательных веществ равнялось изменению скорости их потребления:

ЛЯ, С= ЛА, Требуемое значение изменений расхода сусла при этом определяют из уравнения (5):

На чертеже изображена структурная схема системы автоматического управления, реализующей предложенный способ.

Контур регулирования объема (уровня) среды в ферментере содержит датчик 1 объема, регулятор 2 и исполнительное устройство 3 на линии отбора дрожжевой суспензии из фермептера. Контур регулирования расхода сусла включает в себя датчик 4 расхода сусла, регулятор 5 и исполнительное устройство 6 на линии пода чи сусла в ферментер. В контур регулирования расхода воды входят датчик 7 расхода воды, регулятор 8 и исполнилельноустройство 9 на линии подачи воды в ферм ентер.

В ферментере установлен датчик 10 концентрации остаточных PB в суспензип, соединенный с блоком 11 дифференцирования и сумматором, причем ко входусумматора 12 также подключен задатчнк 13 концентрации остаточных РВ в суспензии.

В IxopII блока 11 дифференцирования и датчика 1 объема подключены и первом г олоку 14 умножения, а выходы сумматора 12 и задатчика 15 суммарного расхода воды и сусла — ко второму блоку 16 умножения, выходы обоих блоков умножения, в свою очередь, соединены с входом блока 17 определения изменения скорости потребления РВ оиомассой микроорганизмов. Блок 17 и датчик 18 концентрации

PB в сусле подключены к блоку 19 определения изменения расхода сусла, а последний, как и блок 20 определения расхода сусла, соединен с блоком 21 корректировки расхода сусла. К входу блока 20 определения расхода сусла подключены

sàäàò÷èê 22 расхода РВ в фермептер и датчик 18 концентрации РР> н сусле. Вы" ход блока 21 подключен к регулятору 5 расхода сусла и блоку 23 определения

810802 расхода воды, причем к входу последнего подключен также задатчик 15 суммарного расхода воды и сусла, а выход блока 23 соединен с регулятором 8 расхода воды, Система работает следующим образом.

При отклонении объема (уровня) среды, измеренного датчиком 1 от заданного значения, регулятор 2 объема перемещает исполнительное устройство 3 до устранения этого рассогласования. Если вследствие каких-либо возмущений на процесс культивирования изменяется скорость потребления PB микроорганизмами, ro изменяется сигнал от датчика 10 концентрации остаточных PB в суспензии. В блоке j1 дифференцирования при этом определяется

dCÄ, скорость изменения этой величины

dt

Сигналы от блока 11 дифференцирования и датчика 1 объема перемножаются в блоке 14 умножения, в результате чего определяется скорость приращения остас ост точных PB в ферментере V " . Сигнаdt лы от датчика 10 концентрации остаточных

РВ и задатчика 13 концентрации остаточных PB вычитаются в сумматоре 12, на выходе которого появляется сигнал, пропорциональный разности входных сигналов: (7) где С,„ — заданная концентрация остаточных PB.

Выходные сигналы от сумматора 12 и задатчика 15 суммарного расхода воды и сусла перемножаются в блоке 16 умножения, в результате чего определяют изменение скорости уноса остаточных РВ сдрожжевой суспензией (Q + Q ) Л С„,.

В результате сложения сигналов or блоков 14 и 16 умножения в блоке 17 рассчитывается изменение скорости потребления PB биомассой микроорганизмов в соответствии с уравнением (4). Выходные сигналы от блока 17 и датчика 18 концентрации РВ в сусле поступают на вход блока 19 определения расхода сусла, в кото ром это изменение определяется по выражению (6). С помощью задатчика 22 рас хода PB в ферментер задается требуемый расход РВ, который бы обеспечил необходимую производительность ферментера.

Так как расход PB бр, определяется как произведение расхода сусла на концентрацию РВ в нем, то в блоке 20 определения расхода сусла рассчитывают необходимый расход сусла, который обеспечил бы требуемый расход PB при данной концентрации PB в сусле:

6 рв с

Если изменяется концентрация РВ в сусле, пзмеренная датчиком 18, то соответственно изменится расход сусла таким образом, чтобы значение бр„поддерживалось постоянным. За счет введения задатчика 22 расхода РВ и блока 20 определения

1О расхода сусла устраняется возмущение на процесс по изменению концентрации РВ в сусле. В блоке 21 корректировки расхода сусла уточняется значение расхода сусла путем алгебраического суммирования сиг15 налов от блока 20 определения расхода сусла и блока 19 определения изменения расхода сусла. Сигнал с выхода блока 21 поступает в линию задания регулятора 5 расхода сусла. Если сигнал от датчика 4

20 расхода сусла отличается от заданного, определенного в блоке 21, то регулятор 5 перемещением исполнительного устройства 6 приводит расход сусла в соответствии с заданным.

25 При изменениях расхода сусла расход воды должен изменяться таким образом, чтобы суммарный расход воды и сусла в ферментер оставался на заданном уровне, для предотвращения дополнительных воззО мущений на процесс по изменению коэффициента разбавления. Заданное значение суммарного расхода воды и сусла устанавливается с помощью задатчпка 15. 1ребуемый расход воды в ферментер рассчнтывазв ют в блоке 23 определения расхода воды как разность между сигналами от задагчика 15 и блока 21 корректировки расхода сусла. Сигнал с выхода блока 23 поступает в линию задания регулятора 8

40 расхода воды, где сравнивается с действительным расходом, измеренным датчиком 7. Если действительный расход воды отличается от заданного, регулятор 8 воздействует на исполнительное устройство Э, 4Ь приводя расход в соответствие с заданным.

Таким образом, предложенная система автоматического управления поддерживае r на заданном уровне концентрацию оста5î точных РВ, расход PB в ферментер, суммарный расход воды п сусла и объем среды в ферментере. Введение сигнала по скорости изменения концентрации остаточных РВ позволяет в значительной мере уменьшить инерционность канала регулирования этого параметра, за счет чего будет более точно поддерживаться заданное значение концентрации остаточных PB.

Кроме того, определение изменения скорости потребления РВ биомассой микроорганизмов позволяет точнее регулировать необходимое изменение притока PB в аппарат. Поддержание заданного значения концентрации остаточных PB и необходиб5 мого расхода сусла, соответствующего потЗ5 реблению PB микроорганизмами, приводит к повышению выхода дрожжей на 2 — 3%. ,Цля завода производительностью 00000 г кормовых дрожжей в год это должно обеспечивать дополнительный выпуск не менее

1200 т дрожжей в год.

Формула изобретения

1. Способ автоматического управления процессом непрерывного культивирования микроорганизмов, предусматривающий измерение расхода сусла, поступаюп,его в ферментер, концентрации РВ в сусле и остаточных PB в дрожжевой суспензии, регулирование расхода воды и сусла, поступающих в ферментер, и объема среды в фермептере, отличающийся тем, что, с целью стабилизации концентрации остаточных РВ в дрожжевой суспензии и повышения тем самым выхода мцкроорганизмо«, определяют скорость изменения концентрации остаточных РВ в дрожжевой суспепзии и изменение скорости потребления РВ культурой микроорганизмов, а регулирование расхода воды и сусла осуществляют с учетом скорости изменения концентрации остаточных РВ в дрожжевой суспецзии ц изменения скорости потребления PB культурой микроорганизмов, 2. Система автоматического управления для осуществления способа, содержащая контуры регулирования объема среды в ферментере и подачи воды и сусла в ферментер, датчики концентрации PB в

lO

QO

25 зо сусле и дрожжевой суспензци, два блока умножения и блок определения расхода. воды, соединенный с регуляторами контуров регулирования подачи воды и сусла в фсрментер, отличающаяся тем,чтоона снабжена ".адатчпкамп суммарного расхода воды ц сусла, расхода PB и концентрации остаточных РВ в суспензии, корректирующим блоком, блоком определения изменения скорости потребления РВ и блоком дифференцирования, выход которого через первый вход блока умножения связан с одним пз гходов блока измснения скорости потребления РВ, другой вход последнего через второй блок умножения одно«ременпо подключен и задатчику сумIBpFI0I расхода воды и сусла, сумматору ц блоку определения расхода воды, а выход сго прц помощи блока определения изменения расхода сусла соединен с одним пз входов корректирующего блока, «торой вход которого подключен к задатчпку расхода РВ и датчику концентрации

РВ, прп этом выход корректирующего блока соединен с блоком определения расхода воды, прцчсм второй вход первого бло. ка умножения связан с датчиком объема, а сумматор подключен к задатчику и датчику концентрации остать,чных РВ.

1 1сточнпкп информации принятыс во внимание при экспертизе

1. Лвторскос свидетельство СССР по заявке № 2550480/13, кл. С 12 B 1/08, 1977 (прототип) .

810802

Составитель Г. Богачева

Текред О. Павлова

Редактор С. Титова

Корректор О. Тюрина

Изд. Кз 234 Тпраьк 530

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 5Ê-35, Раушская нао., д. 4/5

Зак,аз 2146

Подписное

Загорская типография Упрполиграфиздата Мособлисполкома