Система автоматического управления периодическим процессом ферментации — SU 976431 (original) (raw)

) Авторы изобретен А,А.Мунгиев, В. Ф,Лубенцов, А. В.Бабаянц, Л Ю, Г. Колпиков и Л. П. Л осев ское научно производственное объеди "Пром автоматика"(71) Заявител ЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОДИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАЦ 54) С Поптимальног процесса для аппаизв Изобретение относится к автоматичес- кому управлению периодическими процессами выращивания микроорганизмов и может быть использовано в производствах микробиологической и химико-фармацевти 5 ческой промышленности.Известно устройство для контроля концентрации продуктов биосинтеза в периодических процессах выращивания микроорганизмов, содержащее пробоотборних, измеритель и блок сравнения текущего значения концентрации с предыдущим, а также импульсатор, повторитель со сдвигом и ячейку задержки сигнала на такт, в котором один из раэнополярных входов блока сравнения подключен к измерителю, а другой соединен с измерителем посредством повторителя со сдвигом и ячейки задержки сигнала на такт 1 1.Недостатком известного устройства 2 оявляется то, что определение момента достижения максимума концентрации целевого продукта, синтезируемого в процессе биосинтеза, не соответствует моменту окончания периодического воевременного отключения, что приводит к снижению прльности процесса и увеличению затрат.Наиболее близким техническим решением к изобретению является система автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая контуры регулирования температуры, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик и блок задания оптимального зна чения измеряемго параметра, соединенные с регулятором непосредственно и через переключающие реле исполнительный механизм, контур определения оптималь ной продолжительности процесса, включающий блох измерения концентрации пелевого продукта процесса биосинтеза, последовательно соединенные таймер и пероговый элемент, вычислительный блок дифференцирования н логический блок, связанный через команшпю блок и пере,регуляторов температуры, аэрации и киолотности среды в аппарате, расходомеры,установленные на линии подачи субстрата, титранта и пеногасителя, и блок измерения мощности, потребляемой при перемешивании2,Недостатком данной системы являетсято, что она не обеспечивает максимального экономического эффекта от процессов щмикробиологического синтеза продуктоввторичного метаболизма и высокой эффективности испопьзования затрат, посколькузатраты и потери целевого продукта привыделении и очистке его не учитываютсяпри определении оптимальной длительности процесса.11 елью изобретения является увеличение выхода целевого продукта.Указанная цель достигается тем, чтосистема автоматического управления периодическим процессом. ферментации, содержащая контуры регулирования температуры, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в аппарате, включающие цсоответственно датчик и блок задания оптимального значения измеряемого параметра, соединенные с регулятором непосредственно и через переключающие реле,исполнительный механизм, контур определения оптимальной продолжительности процесса, включающий блок измерения концентрации целевого продукта процессабиосицтеза, последовательно соединенныетаймер и пороговый элемент, вычислительный блок, блок дифференцирования и лоЭ 5гический блок, связанный через командный блок и переключающие реле с задающими входами регуляторов температуры,аэрации и кислотности среды в аппарате,49расходомеры, установленные на линии подачи субстрата, титранта и пеногасителя,и блок измерения мощности, потребляемой при перемешивании, снабжена блокоминтегрирования расходов субстрата, ти-.транта, пеногасителя и мощности, потребляемой при перемешивании, блоками измерения времени подготовки аппарата кработе и связанными между собой посредством сумматора блоками формирования потерь целевого продукта и затрат;при этом последний соединен с выходамиблока интегрирования расходов и мощности, связанными соответственно с преобразователями расходов и мощности, авычислительный блок одним из своихвходов подключен через умножитель кблоку измерения концентрации целевогопродукта процесса .биосинтеза, другим 31 4при помощи переключающего реле подключен к пороговому элементу и дополнительному сумматору, связанному с блоком измерения времени подготовки аппарата к работе и таймеру, а третьим соединен с сумматором.На чертеже представлена блок-схема предложенной системы автоматического управления периодическим процессом ферме нтации.Система содержит контуры регулирования температуры подачи воздуха на аэрацию, кислотности среды и давления в ферменте 1, контур определения оптимальной продолжительности процесса, командный блок,Контур регулирования температурывключает датчик 2 температуры, выходкоторого подключен к переменному входурегулятора 3, к задающему входу котсрого подключен выход блока 4 заданияоптимального значения температуры ваппарате посредством переключающегореле 5, выход регулятора 3 связан сисполнительным механизмом 6, установленным на линии подачи охлаждающейводы в змеевики или рубашку аппарата.Контур регулирования подачи возду: -ха включает датчик 7 расхода воздуха,подключенный к переменному входу регулятора 8, к задающему входу которогоподключен выход блока 9 задания оптимального значения подачи воздуха нааэрацию,посредством переключающегореле 10, выход регулятора 8 связан сисполнительным механизмом 11, установленным на линии подачи воздуха нааэрацию.Контур регулирования кислотностисреды в аппарате включает датчик 1 2 рНметра, подключенный к переменному входурегулятора 13, к задающему входу которого подключен выход блока 14 заданияоптимального значения кислотности сре-ды в аппарате посредством переключающего реле 15, выход регулятора 13 сое-.динен с исполнительным механизмом 16,установленным на линии подачи тнтранта, регулирующей величину рН культуральной жидкости в ферментере 1.Контур стабилизации давления в ферментере 1 содержит датчик 17 связанный с переменным входом регулятора 18,задающий вход которого соединен с выходом командного блока 19, выход регулятора 18 связан с исполнительным меха-низмом 20, установленным на линии отходящих из ферментера газов,5 9764Контур определения пптимальной продолжительности процесса включает блок 21 измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, подключенный к входу блока 22 умножения на постоянный коэффициент, Множитель объема культуральной жидкости блока 22 умножения получен с учетом коэффициента заполнения ферментера. Выход блока 22 умножения подключен к вычислительному блоку 23. Один вход последнего посредством переключающего реле 24, управляющий вход которого подключен к выходупорогового элемента 25, соединен с сумматором 26, входы которого подключены 15к выходу таймера 27 и выходу блока 28 измерения времени подготовки ферментера к работе, Другой вход вычислительного блока 23 соединен с выходом сумматора 29, один вход которого подключен к блоку 30 формирования затрат, а другой вход - к блоку 31 формирования потерь целевого продукта. К блоку 30 фор 31 63,8 и 13, где сравнивается с заданнымзначением, которое формируется с помощью блока задания оптимального дляданного момента времени значения соответствующего параметра, Возникающийпри этом сигнал рассогласования по каждому измеряемому параметру вызываетсоответствующее изменение сигнала навыходе регуляторов 3,8 и 13, поступающее на вход исполнительных механизмов 6,11 и 16, с помощью которых изменяются расход воды на охлаждение,расход воздуха на аэрацию и расход титранта, обеспечивающие оптимальныеусловия процесса по температуре, величине рН и растворенного О как на стадиироста культуры, так и на стадии биосинтеза целевого продукта. Таким образом,с помощью указанных контуров регулирования обеспечивается поддержание основныхтехнологических параь.етров на оптимальном уровне,мирования затрат подключены выходыблока 32 интегрирования расходов и мощ ности по числу входов блока 32, кото 30 цию и кислотности среды в аппаратуре.Измерение текущего значения соответсъвующего параметра осуществляется с помощью датчиков 2,7 и 12. Сигнал с выхода последних поступает на регуляторы рые соединены с датчиками 7,33-36 расхода воздуха на аэрацию, расхода воды на охлаждение, расхода субстрата, расхода титранта, расхода пеногасителя и блоком 37 измерения мощности.На входы блоков 31 и 32 поступают сигналы от аппаратов других стадий технологического процесса, с учетом которых формируются суммарные затраты на получение и выделение целевого продукта, а также потери его, возникающие на стадиях выделения и очистки. Выход вычислительного блока 23 подключен на вход блока 38 дифференцирования, соединенного с логическим блоком 39, выход которого подключен к входу командного блока 19, выход которого одновременно связан с переключающими реле 5,10 и 15 и е исполнительным механизмом 40 слива культуральной жидкости.Система автоматического управления периодическим процессом ферментации работает следующим образом.С помощью блоков задания оптимального значения измеряемого параметра перед началом процесса ферментации задают оптимальные значения регулирования температуры расхода воздуха на аэра 35 40 45 50 По мере дальнейшего протекания про цесса ферментации в связи с накапливающимися продуктами обмена и уменьшением количества питательных веществ скорость процесса биосинтеза начинает снижаться, а концентрация целевого продукта продолжает медленно увеличиваться. Несмотря на то, что концентрация целевого продукта не достигла максимального значения, дальнейшее продолжение процесса оказывается нецелесообразным, поскольку в связи с невысокой скоростью процесса увеличения концентрации целевого продукта происходит незначительно, зато с увеличением длительности . процесса происходит увеличение текущих затрат на ведение пропесса, причем максимальная производительность пропесса, т,е. концентрация целевого продукта, ,деленная на время, складывающееся из времени подготовки ферментера к работе (Тп) и времени соответственно процессе ферментации (Тф), достигается в момент времени до получения максимальной концентрации целевого продукта. В связи с этим для определения момента оптимального окончания процесса одновременно с началом ведения процесса включается таймер 27, осуществляющий измерение длительности процесса. Поскольку для получения условий стерильности, необходимых для осуществления процесса ферментации в стерильных условиях, проводится ряд подготовительных операций по подготовке ферментера к работе, предшествующих собственно процессу биосин 70764 теза, то время, затраченное на подготовку аппарата к работе, измеряется блоком 28 измерения времени подготовки аппарата к работе. Сигналы с выхода таймера 27 и блока 28, пропорциональные текущей длительности процесса биосинтеэа и времени подготовки аппарата к работе, поступают на сумматор 26, выход которого посредством. переключающего реле 24 подключен к вычислительному блоку 23. 16 В связи с большой длительностью процесса4 биосинтеэа не имеет смысла производить определение момента оптимального окончания процесса на первых часах роста культуры, поскольку затраты при этом 1 превышают величину А(1) Ч Ц, характеризующую выход целевого продукта биосинтеэа. При нелинейной зависимости функционала во времени, характеризующего выход процесса ферментации, опреде- ц ление момента оптимального окончания процесса производится, начиная с заданного момента времени, устанавливаемого на пороговом элементе 25. Сигнал, пропорциональный длительности процесса, с вы хода таймера 27 поступает на вход сумматора 26, где складывается с временем, затраченным на подготовку аппарата к работе, и одновременно на вход порогового элемента 25. При равенстве текущего, значения времени процесса биосинтеза заданному значению, установленному на пороговом элементе 25, на выходе последнего возникает сигнал, поступающий на управляющий вход переключающего35 реле 24, который с этого момента времени начинает коммутировать сигнал, пропорциональный текущей длительности процесса с выхода сумматора 26 на вход вычислительного блока 23, на который также поступает сигнал, пропорциональный количеству целевого продукта с выхода блока 22 умножения, и сигнал, пропорциональный затратам и потерям целевого продукта, с выхода сумматора 29.43 С этого момента времени вычислительный блок 23 начинает определять величину отношения АИ; )У Ц)-30-П 11/ /Тр +Т. Преобразованный сигнал, прод порциональный величине получаемого отно 50 шения, поступает на вход блока 38 дифференцирования. Если текущее значение скорости, определяемое с помощью блока 38 дифференцирования, не равно нулю, то логический блок 39 делает вывод о несоответствии длительности процесса мо- ф менту оптимального окончания его и процесс накопления продуктов биосинтеза продолжается. При этом сигнал на выходе командного блока 19 равен нулю и сигнал на переключающие реле 5,10 и 15не поступает.Последние продолжают коммутацию выходного сигнала блоков 4, 9 и 14 на задающие входы регуляторов 3,8 и 13,которые с помощью исполнительных механизмов 6, 11 и 16 осуществляют поддержание температуры, подачи воздуха нааэрацию и кислотности среды в ферментере 1 на оптимальном уровне. Г 1 ри этомна входы блока 32 интегрирования расходов и мощности продолжают поступатьсигналы с соответствующих датчиков 7,33-36 расходов измеряемых потоков иблока 37 измерения расхода мощности. Согласно поступающим текущим значениямрасходов и значениям, заданным от аппаратов стадии выделения и очистки, блок 30 формирует текущие затраты нв получение целевого продукта и последующейобработки слива культуральной жидкости, содержащей целевой продукт. Сигнал с выхода блока 30 формирования затрат, а также преобразованный сигнал с выхода блока 29, пропорциональный потерям целе . вого продукта при выделении с очистки его на последующих технологических стаднях, поступают на сумматор 29, с выхода которого сигнал, пропорциональный потерям и затратам, поступает на вход вычислительного блока 23, на другие входы которого поступают также сигналы, пропорциональные концентрации целевого продукта и длительности ферментера кработе.Когда же процесс биосинтеза замедляется настолько, что скорость изменения отношения, определяемого в вычислительном блоке 23, становится равной нулю, то сигнал с выхода блока 38 дифференцирования на вход логического блока 39 не поступает. В этом случае логический блок 39 делает вывод о соответствии длительности процесса биосинтеза моменту оптимального окончания его,который характеризуется тем, что значение вычисленного отношения в блоке 23 не изменяется, Выходной сигнал логического блока 39 при этом поступает на вход командного блока 19, который дает команду на переключение реле 5,10 и 15, которые в этом случае прекращают коммутацию сигнала с выхода блоков 4,9 и 14 на задающие входы регуляторов 3,8 и 13 и осуществляют коммутацию такого задания регулятором 3,8,13 и 18 с выхода командного блока 19, чтобы исполнитеш- ные механизмы 6,11,16 и 20 устансь9764вились в положения, соответствующие окончанию процесса. Например, с помощью исполнительного механизма 6 прекращается подача охлаждающей воды, с помощью исполнительного механизма 11 прекращается подача воздуха на аэрацию, с помощью исполнительного механизма 16 прекращается подача. среды, регулирукэщей величину рН культуральной жидкости в ферментере, а с помощью исполнитель- О ного механизма 20 осуществляется блокнровка аппарата от окружающей средь.Одновременно сигнал с выхода командного блока 19 через ло 1 ический блок (не показано), формирующего условие готов% ности последующей стадии к переработке очередного слива культуральной жидкости из ферментера 1, поступает сигнал, включающий исполнительный механизм 40 слива готовой культуральной жидкости. го После окончания исполнительный механизм слива отключается.Использова ние предлагаемой системы автоматического управления периодическим процессом ферментации позволит повысить 25 экономическую эффективность процесса и составит 34,4 тыс.руб. на одном ферментере, годовой объем производства составит 326400.30Формула изобретенияСистема автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая контуры регулирования температуры, подачи воздуха на аэрацию и кислотности среды в аппарате, включающие соответственно датчик и блок задания оптимального значения измеряемого параметра, соединеннъе с регулятором непосредственно и через переключающие реле, исполнительный механизм, контур определения оптимальной продолжительЗ 1 10ности процесса, включающий блок измерения концентрации целевого продукта процесса биосинтеза, последовательно соединенные таймер и пороговый элемент, вы-числительный блок, блок дифференцирования и логический блок, связанный через командный блок и переключающиереле с задающими входами регуляторовтемпературы, аэрации и кислотности среды в аппарате, расходомер 1, установленные на линии подачи субстрата, титрантаи пеногасителя, и блок измерения мощности, потребляемой при перемешивании,отличающаяся тем,что,с,целью увеличения выхода целевого продукта, она снабжена блоком интегрирования расходов субстрата, титранта и пеньгасителя и мощности, потребляемой приперемешивании, блоками измерения врсмени подготовки а:п 1 арата к работе и связанными между собой посредством стмматора блоками формирования потерь целевого продукта и затрат, при этом последний соединен с выходами блока интегрирования расходов и мощности, связаннымц соответственно с преобразователямирасходов и мощности, .а вычислительныйблок оддс из своих входов подключенчерез умножитель к блоку измерения концентрации целевого продукта процессабиосинтеза, другим при помощи переключающего реле подключен к пороговомуэлементу и дополнительному сумматору,связанному с блоком измерения времениподготовки аппарата к работе и таймеруа третьим соединен с сумматором. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР% 467099, кл. С 12 В 1/08, 1975. 2. Авторское свидетельство СССР по заявке % 2774111/13,кл. Ь 05.О 27/00, 1979.. ВНИИПИ Государственного комите по делам изобретений и открыт 13.3035, Москва, Ж, Раушска

Смотреть

Система автоматического управления периодическим процессом ферментации