Системы автоматического управления процессами непрерывной стерилизации питательных сред и ферментации микробиологических производств

• Автор: Лубенцова, Елена Валерьевна
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Новочеркасск
• Количество страниц: 212 с. : ил.

Введение
Глава 1. Анализ биотехнологических процессов стадии ферментации микробиологических производств
1.1 Типовые технологические процессы непрерывной стерилизации питательных сред и периодической ферментации как объекты управления
1.2 Анализ особенностей технологических процессов стадии ферментации как объектов управления
1.3 Анализ методов автоматического регулирования и управления процессами стерилизации и ферментации микробиологических производств
1.4. Анализ критериев эффективности и обоснование целевых функций для процессов стерилизации и ферментации

1.5 Постановка задачи исследовании Выводы

Глава 2. Разработка математической модели процесса непрерывной стерилизации питательных сред и идентификация динамических моделей процессов стерилизации и ферментации
2.1 Разработка и идентификация математической модели процесса непрерывной стерилизации питательных сред

2.2 Идентификация динамических моделей процесса ферментации

2.3 Разработка алгоритма динамической идентификации биотехнологических объектов управления с запаздыванием
Глава 3. Синтез САУ процессом непрерывной стерилизации питательных сред и ферментации
3.1 Разработка алгоритма управления процессом непрерывной стерилизации питательных сред в пароконтактном нагревателе
3.2 Разработка алгоритма управления технологическим объектом на основе аппроксимации разрывных управлений кусочнонепрерывными
функциями
3.3 Выбор и обоснование структуры САУ процессом ферментации на основе принципа динамической компенсации
3.4 Параметрический синтез типовых промышленных регуляторов для нестационарных объектов с запаздыванием, обеспечивающих робастность САУ процессом ферментации
3.5 Выбор и обоснование структуры САУ процессом ферментации с упредителем и идентификатором состояния при наличии запаздывания и неконтролируемых внешних возмущений
Глава 4. Исследование САУ процессом непрерывной стерилизации питательных сред и ферментации и разработка алгоритмического обеспечения задач регулирования и управления в АСУТП
4.1 Исследование САУ процессом непрерывной стерилизации питательных сред в пароконтактном нагревателе
4.2 Исследование САУ режимом охлаждения стерильных питательных сред в ферментаторе, инокуляторе и посевном аппарате и режимом стабилизации температуры при получении биомассы
4.3 Исследование адаптивной позиционной системы регулирования в процессе ферментации
4.4 Исследование адаптивной системы автоматической стабилизации концентрации растворенного кислорода в процессе ферментации при действии неизмеряемых возмущений
4.5 Исследование адаптивной САУ процессом биосинтеза антибиотиков, реализующей оптимальный температурный режим
4.6 Разработка алгоритмического обеспечения АСУ биотехнологическими процессами микробиологических производств и методики автоматизированного выбора альтернативных вариантов алгоритмов управления
Заключение
Список использованных источников


Рисунок 1. Структурные схемы биотехнологического производства микробиологических средств защиты растений а и производства антибиотиков б. Основной стадией БТП является стадия IV ферментация, представленная несколькими в зависимости от мощности производства параллельно работающими инокуляторами и посевными аппаратами, в которых осуществляется накопление биомассы, и ферментаторами, в которых осуществляется биосинтез целевого продукта. В ферментаторы подается стерильная питательная среда с установки непрерывной стерилизации, посевной материал из инокуляторов и посевных аппаратов, воздух на аэрацию при непрерывном перемешивании с помощью мешалки и осуществляется стабилизация режимных термодинамических и физикохимических параметров на заданном уровне либо по программе с помощью подачи охлаждающей воды, аэрирующего воздуха и соответствующих титрантов. В случае ценообразования в аппараты подается пеногаситель. Полученная культуральная жидкость поступает далее на переработку, связанную с выделением и концентрированием целевого продукта производства. В представленной схеме наглядно видно многообразие технологических элементов, их взаимосвязь и целенаправленное функционирование. Однако, несмотря на разнообразие и сложность отдельных процессов, используемых на последующих стадиях производства продуктов микробиологического синтеза, такие процессы, как приготовление питательных сред, выделение и очистка целевого продукта, получение его в готовой форме имеют много аналогий в области химической технологии. Это дает возможность применять принципы регулирования и управления этими процессами, используемые в химических производствах, с учетом того, что практические пути осуществления регулирования модифицируются в соответствии со специфическими свойствами исходного сырья, продуктов биосинтеза и особенностями режимов, создаваемых в аппаратах микробиологических производств. Обобщенная технологическая схема стадии ферментации представлена на рисунке 1. Стадия стерилизации питательных сред, осуществляемая непрерывным способом в пароконтактном нагревателе и выдерживателе, является одной из начальных стадий процесса ферментации и поэтому к эффективности термической стерилизации жидких сред предъявляются повышенные требования. Из схемы видно, что стадия ферментации будет работать эффективно лишь в том случае, если качественно функционируют стадия подготовки питательной среды, ее стерилизация и стадия получения посевного материала. В то же время работа стадии ферментации во многом определяет работу последующих стадий сепарации, очистки, сушки. Анализ вариабельности параметров компонентов питательной среды на выходе УНС с учетом статистических характеристик, полученных рядом азторов 7, 8, 9 и приведенных в приложении 1, показывает наличие большого разброса данных, обусловленных нестабильностью работы стадий приготовления питательной среды, получения посевной биомассы и установки непрерывной стерилизации среды. Систематизированы статистические данные, содержащиеся в работах ряда исследователей 8,9, на основании которых установлено, что параметры питательной среды на входе в ферментатор имеют значительные колебания например, от 3, до ,1 для биосинтеза пенициллина в промышленных ферментаторах объемом м3, от 3, до , для биосинтеза энтобактерина, от ,8 до ,2 для биосинтеза лизина в промышленном ферментаторе объемом 0 м3. В то же время даже при таком большом разбросе данных обнаруживается существенное влияние параметров среды на выход целевого продукта процесса биосинтеза. В частности, оказывается значимым коэффициент парной корреляции между активностью антибиотика и концентрацией азота. Оценка совместного влияния этого параметра питательной среды и параметров процесса получения посевной биомассы позволяет считать, что 7 уровня колеблемости активности антибиотика в ферментаторе приходится на долю концентрации азота в питательной среде 8. Рисунок 1. ХС холодная среда П пар ГС горячая среда СС стерильная среда ХВ холодная вода ГВ горячая вода КЖ культуральная жидкость.