Автоматизация процесса биосинтеза лимонной кислоты

• Автор: Панов, Глеб Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.13.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 244 с.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ
И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БИОСИНТЕЗОМ
1.1. Технология промышленного получения лимонной
кислоты
1.2. Анализ процесса биосинтеза лимонной кислоты как
объекта автоматизированного управления
1.3. Методы ситуационного управления и условия
возможности их применения
1.4. Обзор состояния проблемы математического
моделирования процессов биосинтеза
1.5. Обзор состояния проблемы управления
процессами биосинтеза
1.6. Выводы. Постановка задач исследований
2. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БИОСИНТЕЗА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ
2.1. Диагностика состояния технологических объектов
и выбор способа ее реализации
2.2. Выбор формы представления знаний о процессе получения лимонной кислоты
2.3. Декомпозиция знаний о ферментационном цикле и
структура его диагностической модели
2.4. Структура системы ситуационного управления
ферментационным циклом
2.5. Алгоритм управления ферментационным циклом
2.6. Выводы к главе 2
3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ
ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ
3.1 Постановка задачи управления ферментационным циклом 72.
3.2. Сбор и обработка знаний о ферментационном цикле
3.2.1. Методы сбора и обработки знаний
3.2.2. Сбор знаний о ферментационном цикле
3.2.3. Обработка знаний о ферментационном цикле

3.2.4. Сбор и обработка знаний о путях управления ферментационным циклом при обнаружении на процессе
нарушений
3.3. Синтез математической модели биосинтеза
лимонной кислоты
3.4. Формирование диагностической модели
3.5. Алгоритмы управления процессом в регламентном режиме
3.5.1. Алгоритм регламентного управления подпиткой
3.5.2. Алгоритм пеногашения
3.6. Алгоритмы управления процессом при нештатных ситуациях
3.6.1. Алгоритм поддержания необходимых для интенсивного синтеза лимонной кислоты концентраций биомассы и сахаров в
среде
3.6.2. Алгоритм снижения интенсивности прироста биомассы
3.7. Выводы к главе
4. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
4.1. Техническое обеспечение АСУ ТП
ферментационного цикла
4.2. Алгоритмическое и информационное обеспечение ССУ
4.3. Параметрическая идентификация математической
модели биосинтеза лимонной кислоты
4.4. Корректировка коэффициентов математической модели
по результатам протекающего биосинтеза
4.5. Исследование системы ситуационного управления на объекте
4.6. Выводы к главе
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы биотехнология получила широкое развитие как в плане научных исследований, так и в промышленном производстве. Япония объявила начало будущего века "эрой биотехнологии" [36] , усиление роли которой прогнозируется в пищевой и фармацевтической отраслях промышленности [27,64].
Наиболее бурными темпами растет мировое производство пищевых кислот, основной из которых по объему потребления, безусловно, является лимонная [19,37].
По некоторым оценкам [36] мировое производство лимонной кислоты из различных видов сырья составило в начале 90-х годов свыше 550 тыс. тонн в год. Заводы лимонной кослоты имеются более чем в 35 странах. Лидером в ее производстве являются США (более 170 тыс. тонн в год). В нашей стране производство лимонной кислоты в последние годы, к сожалению, заметно снизилось, и ее дефицит уже ощущается на предприятиях пищевой промышленности.
Лимонная кислота используется [64,83] для подкисления и придания ощущения свежести безалкогольным напиткам, овощным, фруктовым, мясным и рыбным консервам. В кондитерской промышленности ее применяют при производстве конфет, вафель, печенья, тортов и других изделий. Огромна роль лимонной кислоты как консерванта, заменяющего уксус, использование которого законодательно запрещено во многих странах мира. Способность образовывать комплексные соединения обусловила ее добавление в жиры и животные масла для предотвращения прогорклости. На образовании комплексов лимонной кислоты с соединениями железа основана очистка пароводяного тракта энергоблоков на электростанциях. В последнее время натриевая соль лимонной кислоты все активнее используется в моющих средствах вместо полифосфатов натрия.
Растущая потребность в лимонной кислоте может удовлетворяться либо за счет введения в строй новых мощностей, что требует огромных инвестиций, либо за счет интенсификации технологических процессов на уже существующих предприятиях путем разработки и

С1 и С, ~ критическая и текущая концентрация
растворенного кислорода.
Была проведена проверка адекватности разработанной модели и определены численные значения коэффициентов для данной культуры и субстрата. Численное решение модели методом Рунге-Кутта на ЭВМ показало хорошее совпадение с опытными данными биосинтеза ЛК на пилотной установке рабочим объемом 25 л.
Однако использование данной модели в условиях крупномасштабного производства вряд ли возможно прежде всего из-за отсутствия промышленных датчиков концентрации растворенного кислорода и, следовательно, принципиальной невозможности
определения этого параметра, поскольку он не может быть измерен в лаборатории. Кроме того, представляется неправомерным не учитывать в описании процесса факта расходования субстрата на поддержание жизнедеятельности мицелия и, главное, хорошо известного факта влияния субстрата на скорость роста биомассы [83].
Из вышеизложенного следует вывод о том, что в настоящее время ММ биосинтеза ЛК, которую можно было бы применить для оперативного управления производственным процессом, не существует. Разработка модели для использования в промышленных условиях в режиме реального времени является актуальной научно-технической задачей.
1.5. Обзор состояния проблемы управления Гфоцессами
биосинтеза
Бурное развитие микроэлектроники в последнее десятилетие обеспечило появление дешевых и надежных управляющих микро-ЭВМ и микропроцессоров, обладающих, с одной стороны, всеми свойствами больших вычислительных машин и, с другой, снабженных устройствами ввода/вывода информации для связи с объектом. Это определило широкие возможности их применения для автоматизации биотехнологических процессов. Микропроцессоры успешно используются для регулирования режимных параметров [1,26,79,92], ПЛУ запорной арматурой [57,67], рационального управления процессами биосинтеза по математическим [8,30,102] и диагностическим [35,89] моделям. В последнее время опубликовано множество работ, демонстрирующих применение теории оптимального управления [9] к ферментационным