Система автоматического управления полунепрерывным процессом культивирования микроорганизмов

Система автоматического управления полунепрерывным процессом культивирования микроорганизмов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиик

Социалистические

Республик (и)905800 (61) Дополнйтельное к авт. свид-ву (22) ЗаЯвлено 27. 03. 80 (21) 2899716/28-13 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 15.02.82. Бюллетень №6

Дата опубликования описания 1 5 .02 . 82 (51)M. Кл.

G 05 0 27/00

9вударстаеаиый камвтет

СССР ао делам изобретений н открытий (53) УЙК 663.6 (088.8) (72) Авторы изобретения

Д.Е. Левишаускас, Ю. -К.Ю. Станишкис, A.10. Вйнаров и В.В. Лалов

l

Каунасский политехнический институт им. Ан анаса Снечкуса и Всесоюзный научно-исследовательский инстйтут биосинтеза белковых веществ (71 ) Заявит ели (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУНЕПРЕР11ВНЫМ

ПРОЦЕССОМ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАН113МОВ

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для автоматического управления полунепрерыв ным процессом мик роби ол огич еского синтеза.

Известна система автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов, содержащая датчики расхода воздуха и концентраций кислорода, установленные на линии о подачи воздуха в аппарат и линии отработанных газов, блок определения потребляемого кислорода, программный блок и компаратор, вход которого .соединен с блоком определения потребляемого кислорода и программньм блоком, а выход с исполнительными механизмами на линиях подачи субстрата (!1.

Недостатком указанной системы является то, что в ней отсутствует система слежения за массой среды в ферментере, что особенно затрудняет управление полунепрерывным процессом. Кроме того, система не обеспечивает подачу субстрата, оптимизирующую условия роста биомассы,которые могут отличаться от условий, оптимальных для биосинтеза целевого продукта.

Наиболее близким техническим решением к предлага емому является система управления периодическим процессом биосинтеза микроорганизI0 мов, содержащая контур регулирования рН среды с датчиком рП,анализатор концентраций микроорганиз мов, субстрата и целевого продукта, исполнительные механизмы, установ15 ленные на линиях подачи титрующего агента и субстрата, и управляющее устройство с блоком реализации адаптивной модели, связанное с анализа20 тором концентраций и датчиком рН (21.

Недостатком изв естной системы является то, что в ней отсутствует контур управления подачей субстрата в зависимости от объем» среды и

905800

i, o центра ции в ней целен or О !:! . пдук та, что не обеспечивает достижение максимального выхода от субстрата цел ев ог î Hpодукта, Целью изобретения является повышение выхода целевого продукта при полунепр ерыв ном куль тивир ова нии микроорганизмов .

Поставленная цель достигается тем, что система автоматического 1О управления полунепрерывным процессом культивирования микроорганизмов, содержащая контур регулирования рН среды с датчиком рН, анализатор концентраций микроорганизмов, субстрата 15 и целевого продукта, исполнительные механизмы, установленные на линиях подачи титрующего агента и субстрата, и управляющее устройство с блоком реализации адаптивной модели, свя- щ занное с анализатором концентраций и датчиком рН снабжена тенэометрическим устройством, блоком согласования и коммутирующими устройствами, при этом выход тензометрического 25 устройства соединен с блоком реализации адаптивной модели, а выход последнего подключен через блок коррекции к блоку согласования и коммутирующим устройствам, соединенным щ с соответствующими исполнительными механизмами, установленными на линиях подачи титрующего агента и субстрата.

На чертеже показана блок-схема предлагаемой системы управления.

Система содержит контур стабилизации рН среды в ферментере 1,состоящий из датчика 4 рН, соединенного с регулятором 3, выход которого связан через коммутирующее устройство

11 с исполнительным механизмом 12, установленным на линии подачи титрующего агента, контурпериодической коррекции уровня концентрации подйитывающего субстрата в ферментацион45 ной среде, состоящий иэ анализатора .

6 концентраций биомассы, субстрата и целевого продукта, тензометрического устройства 5, соединенных с блоком 7 реализации адаптивной модели управляющего устройства 2, 50 а.выход блока 7 подключен к блоку 9 коррекции, выходы которого соединены с блоком согласования 8 и. через коммутирующие устройства 11 и 10 с исполнительными механизмами 12 и

13, установленными на линиях подачи титрующего агента и субстрата соответственно, контур поддержания концектрации ь одпитываюшего субстрата в ферментационной среде, состоящий иэ датчика 4 pfi, соединенного с блоком согласования 8, выход которого связан через коммутирующее устройство 1О с исполнительным механизмом

13, установленным на линии подачи подпитывающего субстрата.

С. целью повышения выхода целевого продукта, концентрацию компонентов питательной среды, по которым ведется подпитка, поддерживают на уровне, оптимальном для биосинтеза целевых продуктов, например, концентрацию глюкозы в процессе биосинтеза амилолитических ферментов. При этом оптимальный уровень концентрации подпитывающего субстрата в ферментере может меняться в течение процесса биосинтеза в связи с переменными условиями развития культуры. В то же время скорость изменения рН сре— ды в ферментере характеризует скорость роста микроорганизмов и соответственно потребления питательного субстрата.

Система автоматического управления работает следующим образом. рН ферментационнвй среды поддерживается на заданном уровне с помощью контура стабилизации рН среды, включающего датчик 4, подключенный на вход регулятора 3, который после сравнения текущего и заданного значения рН подает управляющий сигнал через коммутирующее устройство 11 на исполнительный механизм 12, установленный на линии подачи титрующего агента. Управление скоростью подачи субстрара проводится по двум контурам управления: по контуру периодической коррекции уровня концентрации подпитывающего субстрата в ферментере, использующего управляющий сигнал от блока периодической коррекции 9 управляющего устройства 2, и по контуру поддерживания концентрации подпитывающего субстрата в ферментере на оптимальном уровне между моментами коррекции, использующего сигнал датчика 4 рН, который отслеживает отклонение значения рН от заданного в регуляторе рН, характеризующее скорость окисления ферментационной среды и скорость потребления субстрата микроорганизмами.

Переключение контуров осуществляется коммутирующим устройством 10, 5 905800 4 выход которо" о соединен с исполни- тивной модели 7 поступает на блок тельным механизмом 13, управляющим периодической коррекции 9, который скоростью подачи подпитывающего суб- вырабатывает корректирующие сигналы страта. Управляющий сигнал от блока для приведения концентрации субстрата

9 в момент коррекции в сторону уве- у в ферментере на оптимальный уровень личенив концентрации подпитывающего и для коррекции посредством блока субстрата в ферментере также посту- согласования 8 коэффициента усилепает через коммутирующее устройст- ния контура поддержания концентрации во I I на исполнительный механизм субстрата на оптимальном уровне.

12, управляющий скоростью подачи !О Корректирующие сигналы на выходе титрующего агента, для одновремен- блока 9 поступают на блок согласоваиой подачи соответственного коли- ния 8 и через коммутирующие устройстчества титрующего агента в фермен- ва 10 и 11 на исполнительные мехатер в случае, если рН подпитываю- ниэмы 13 и 12, установленные на лищего субстрата и рН среды в Ьермен- IS ниях подачи подпнтывающего субстрата тере не совпадают. Коррекция в и титрующего агента соответственно. сторону уменьшения концентрации суб- После коррекции управляющее устстрата осуществляется перекрытием ройство 2 переключает через коммути" линии подачи питательного субстрата рующее устройство 10 вход исполнипосредством исполнительного механиэ- 2О тельного механизма 13 на линии подама 13 на промежуток времени, опреде- чи субстрата к выходу блока соглаленный в блоке периодической коррек- сования 8 и через коммутирующее ции 9. устройство 11 вход исполнительного

В целом управление полупериоди- механизма 12 на линии подачи титческим процессом реализуется следую- 25 рующего агента к выходу регулятора щим образом. рН 3. Управление скоростью подачи

В ферментере 1 осуществляется подпитывающего субстрата и титрующепроцесс полунепрерывного культиви- го агента при этом осуществляется рования микроорганизмов. Сигналы ана- при отключенном блоке коррекции 9 лизатора 6 концентраций биомассы, ЗО до следующего момента поступления субстрата и целевого продукта и тен- сигналов от анализатора концентраций зометрического устройства 5, отсле- 6 и тензометрического устройства 5 на живающего изменение массы среды в управляющее устройство 2. ферментере 1 с учетом поступающих В таблице приведены сравнительные

< туда доливок, поступают на блок результаты известной системы полуреалйэацни адаптивной модели 7, в непрерывного выращивания Вас. subt 1 l I котором проводится оценка состояния .для получения d. -амилаэы и предлапроцесса биосинтеза цо заданной гаемой системы автоматического уппрограмме. Информация из блока адап- равлеиия

Показатели и условия процесса

Система

Ф эвестная предлагаемая

Начальный объем ферО

j ментационной среды, м 0,8

0,8

Конечный объем ферментационной среды,м 1,5

1,5

Начальная концентрация глюкозы осахаренного крахмала в ферментере, кг/м

50

Концентрация глюкозы осахаренного крахмала в подпитывающем растворе „кг/м

I50

150

905800

Продолжение таблицы

Температура процесса, ОС 37-38 37 — 38 рН среды

6,3-6,4 6.,3-6,4

Переменная в зависимости от сОстОяния ферментационной среды: объема, концентрации биомассы, глюкозы,фермента

Конечный выход фермента, ед.активности мл 178, 5

187,8

Концентрация глюкозы в среде в период подпитки, кг/м

Моделирование работы предлагаемой системы управления по результатам экспериментальных ферментаций * -амилазы продуцентом Вас. subtilis показывает возможность устойчивого ведения процесса и повышения выхода фермента в среднем на 57. по сравне— нию с выходом при программном управлении.

Формула изобретения

Система автоматического управления полунепрерывным процессом культивирования микроорганизмов,седержащая контур регулирования рН .среды с датчиком рН, анализатор концентраций микроорганизмов,субстрата и целевого продукта, исполнительные механизмы, установленные на линиях подачи титрующего агента и субстрата, и управляющее устройство с блоком реализации адаптивной модели, связанное с анализатором концентраций и датчиком рН, отличающаяся тем, что, с целью повышения выхода целевого продукта, она снабжена тензометрическим устройством, блоком согласования и коммутирующими устройствами, 3S при этом выход тензометрического устройства соединен с блоком реализации адаптивной модели, а выход последнего подключен через блок коррекции к блоку согласованйя и

40 коммутирующим устройствам, соединенным с соответствующими исполнительными механизмами, установленными на линиях подачи титрующего агента и субстрата.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 619504, кл. С 12 В 1/08, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 488847, кл. С 12 В I/08, 1976.

905800

Заказ 364/64

Тираж 907 Подписное

BHIIIIIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

<филиал ЛПП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4

Составитель Г. Богачева

Редактор Л. Повхан Техред И.Гайду Корректор М. Демчик