10.3. Системы автоматизации процессов культивирования микроорганизмов

Промышленное культивирование микроорганизмов в боль­шинстве случаев осуществляют глубинным методом, при котором клетки суспендированы в водном растворе питательных веществ. По способу организации процессы культивирования делятся на периодические, непрерывные и промежуточные, которые могут быть реализованы в разных вариантах, например периодиче­ский с подпиткой. Способ культивирования в значительной степени определяет состав задач управления и структуру сис­темы автоматизации.

Периодический способ культивирования. Этот способ обычно применяется при выращивании посевного материала, а в ряде случаев на стадии производственной ферментации (производ­ство амилолитическнх ферментов, пивоваренное производство и др.). Периодические процессы культивирования реализуются в биореакторах-ферментаторах, работающих циклически. Полный цикл работы ферментатора состоит из вспомогательных (опо­рожнение аппарата, его промывка, стерилизация, загрузка пи­тательной среды и посевного материала) и рабочей (собственно процесс культивирования) стадий Задачи управления на вспомо­гательных и рабочей стадиях существенно различаются. На вспо­могательных стадиях основной задачей является обеспечение за­данной последовательности выполнения операций, т. е. функ­ция программно-логического управления. При этом требуется переключать в определенной последовательности запорные кла­паны, установленные на трубопроводах обвязки ферментатора. На большинстве действующих производств для этого в основном применяется ручное дистанционное управление.

Наряду с задачами программно-логического управления на ряде вспомогательных стадий требуется регулировать некоторые параметры: на стадии стерилизации, например, температуру в аппарате; после загрузки питательной среды иногда ее кислот­ность по показателю pH и т. и. Для этого служат АСР соответ­ствующих параметров. На рабочей стадии основной задачей управления является поддержание в ферментаторе таких усло­вий, при которых процесс культивирования проходит наиболее эффективно.

В ходе культивирования происходят взаимосвязанные процес­сы потребления питательных веществ, роста биомассы микроор­ганизмов и образования продуктов метаболизма, в том числе целевого продукта. При этом состав культуральной жидкости в ходе процесса изменяется: концентрация биомассы и продуктов метаболизма возрастает, а концентрация субстрата уменьшает­ся. Обычно процесс завершается прн исчерпании запаса пита­тельных веществ и накоплении достаточного количества целевого продукта.

Качество ферментации характеризуется производительностью процесса, а также выходом целевого пр&дукта из единицы пита­тельных вешеств. Эти показатели зависят от условий проведения культивирования, главными из которых являются состав и температура культуральной жидкости, ее pH, концентрация растворенного кислорода (для аэробных микроорганизмов).

При периодическом культивировании состав культуральной жидкости изменяется в ходе процесса и фактически оказывается неуправляемым. Поэтому основной- задачей управления такими процессами является регулирование режимных параметров — температуры. pH среды и степени аэрации. Для стерильных процессов ферментации необходимо, кроме того, регулировать в аппарате избыточное давление. Специфической особенностью процессов глубинного культивирования аэробных микроорганиз­мов является обильное пенообразование, поэтому у таких про­цессов необходимо регулировать уровень пены в ферментаторе.

Рнс. 10.4 Схема автоматизации периодического процесса глубинно­го культивирования

Система автоматизации периодического процесса культивиро­вания (рис. 10.4) включает АСР следующих параметров: температуры —- изменением расхода хладагента, поступающего в теплообменник ферментатора (регулятор 2); pH -управлением подачи титрующего вещества в аппарат (регулятор 5); расхода аэрирующего воздуха (регулятор /); давления в аппара­те — изменением расхода отходящих из ферментатора газов (регулятор 3)\ уровня пены — подачей в аппарат химического пеногасители (регулятор 4). В ряде процессов к тому же осу­ществляется автоматический контроль концентрации кислорода и СО2 в отходящих газах (прибор 6), концентрации растворен­ного кислорода и других качественных показателей (формоль- ное число, концентрация сахаров и др.) с помощью соответ­ствующих автоматических ана­лизаторов, в основном несерий­ных.

В качестве объектов регули­рования температуры периоди­ческие процессы культивирова­ния обладают изменяющимися динамическими характеристи­ками. Из кривых разгона фер­ментатора по каналу регули­рования «температура — рас­ход хладагента», снятых в на­чале и конце культивирования при одинаковом по амплитуде изменении расхода хладагента (рис. 10.5), видно, что постоян­ная времени Т в ходе процесса значительно увеличивается. Динамические характери­

стики изменяются с увеличением плотности, вязкости н других фи­зических параметров культураль­ной жидкости вследствие роста концентрации микроорганизмов и продуктов метаболизма. Для обеспечения устойчивости систе­мы и удовлетворительного каче­ства регулирования необходимо выбирать значения настроек регу­лятора температуры исходя нз наиболее неблагоприятного ва­рианта характеристики, который соответствует наибольшему значению Т в ходе ферментации.

Периодический способ культивирования с подпиткой. Способ является развитием периодического и отличается от него тем, что вначале в аппарат загружают только часть питательной среды, а остальное количество ее вводят в ходе процесса в виде так называемой подпитки. Расход подпитки служит допол­нительным управляющим воздействием и позволяет в определен­ной степени регулировать состав культуральной жидкости.

Система автоматического управления таким процессом наря­ду со всеми функциями, характерными для периодического процесса культивирования, должна обеспечить автоматизацию дозирования подпитки. На практике применяют два способа ав­томатического дозирования: программный и параметрический. Программный способ состоит в том, что расход подпитки авто­матически регулируется в соответствии с заданной программой. Программу заранее рассчитывают для «среднего» процесса, и ес­ли физиологические свойства культуры в конкретном процессе по каким-либо причинам отличаются от среднего уровня, то эф­фективность управления снижается.

Прн параметрическом способе управления расход подпитки регулируется в зависимости от значений некоторого параметра, который характеризует текущее физиологическое состояние попу­ляции микроорганизмов. В этом случае отклонение свойств процесса от «среднего» вызывает изменение контролируемого параметра и соответствующую коррекцию программы дозирова­ния подпитки.

Примером периодического процесса культивирования с под­питкой может служить товарная стадия в производстве хлебо­пекарных дрожжей. Перед засевом в аппарат загружают пита­тельную среду, которая содержит только 5% расчетного количества мелассы, предназначенного для процесса в целом. Остальное количество дозируется в ходе культивирования пор­ционным дозатором, работой которого управляет специальное программное устройство, или программными регуляторами рас­хода.

Автоматическая система порционного дозирования состоит нз мерника-дозатора объемного типа и программного управ­ляющего устройства. Управляющее уст­ройство вырабатывает дискретные сигна­лы на включение клапанов подачи раст­вора мелассы в дозатор н елнва его содержимого в дрожжерастильнын аппа­рат. Частота импульсов соответствует заданному для текущего времени процес­са среднему расходу подпитки.

Рис. 10.6. Автоматическая система регулирования расхода подпитки по кон­центрации паров спирта в отходящих гааах

Система программного регулирования расхода подпитки состоит из расходоме­ра, регулятора с программным задатчи­ком и регулирующего клапана. Парамет­рическое управление расходом подпитки при культивировании хлебопекарных дрожжей возможно по разным показателям, характеризующим физиологическое состояние популяции. Например, если расход мелассы превышает скорость ее потребления и. следовательно, в культуральной жидкости возрастает концентрация сахаров, то интенсифицируется процесс брожения. При этом часть по­ступающего с подпиткой сахара превращается в спирт, концент­рация паров которого в отходящих газах возрастает. Одна из автоматических систем параметрического управления подачей раствора мелассы в производстве хлебопекарных дрожжей (рнс. 10.6) состоит нз анализатора / пароо спирта в отходящих газах, регулятора 2 и регулирующего клапана 3. Система обеспе­чивает такой расход мелассы, при котором скорость потребления сахара на рост биомассы дрожжей близка к скорости его поступления в дрожжерастильнын аппарат с подпиткой. Данный режим культивирования является наиболее экономичным.

Непрерывный способ культивирования. Способ применяется в производстве спирта, вина, уксусной и лимонной кислот. Он за­ключается в том, что в ферментатор непрерывно поступает поток питательной среды и нз него отводится поток культураль­ной жидкости. В стационарном режиме работы расходы обоих потоков равны и постоянны во времени; объем культуральной жидкости в ферментаторе и ее состав при этом также постоянны. Во многих случаях культивирование непрерывным способом про­водят в батарее из нескольких ферментаторов.

Непрерывный процесс культивирования является более бла­гоприятным для автоматизации объектом управления, чем перио­дический. Это объясняется стационарными условиями проведения процесса, при которых проще поддерживать заданный техноло­гический режим.

К основным задачам управления непрерывным процессом культивирования относятся поддержание заданного техноло-

Г7Ч

lStx;

Инг Ю.7 Автоматическая система р<чулнрования нагрузки Ангарой формой¹ гаторов непрерывного леЛствия по потоку:

>1 модному. о выходному

гического режима путем регулирования температуры и pH культуральной жидкости, а также степени .эрацнн; поддержание материального баланса ферментатора, которое сводится к регу­лированию уровня культуральной жидкости; обеспечение задан­ной нагрузки. Две последние задачи специфичны для непрерыв­ного процесса.

Типовая схема автоматизации непрерывного процесса куль­тивирования подобна изображенной на рис, 10.4. Она предусма­тривает автоматическое регулирование следующих параметров: температуры изменением расхода хладагента, поступающего в теплообменник ферментатора; pH среды изменением расхода титрующего вещества; расхода аэрирующего воздуха и уровня изменением расхода культуральной жидкости на выходе фер­ментатора*; нагрузки регулированием расхода входного по­тока.

Прн проведении непрерывного культивирования в батарее ферментаторов возникает задача координации их нагрузок. Рас­пространены два варианта систем автоматизации, обеспечиваю­щих согласование расходов в батарее из двух ферментаторов (рис. 10.7). В первом случае нагрузка батареи задается ре­гулятором расхода /. который воздействует на входной поток, а материальный баланс ферментаторов поддерживается регу­ляторами уровня 2 и 3. Во втором случае нагрузка задается регулятором 3. который поддерживает заданный расход на выходе батареи. При этом регуляторы уровни / и 2 обеспечивают поддержание материального баланса ферментаторов по жид­кости.

Целевой продукт, синтезированный на стадии производствен­ной ферментации, выделяется из культуральной жидкости и перерабатывается в товарную форму с помощью ряда техноло­гических операций, которые называются послеферментапионнымн процессами. В редких случаях, например при производстве амилолнтнческнх ферментов на спиртзаводах, культуральная жидкость является конечным продуктом и никакой переработки не требует.

В производстве пива, первичном виноделии, производстве уксусной кислоты послеферментацнонная переработка сводится к осветлению культуральной жидкости, нз которой отфильтровы­ваются клетки микроорганизмов. Основной задачей при автома­тизации этих процессов является контроль качества фильтрова­ния. который проводится путем измерении остаточной концен­трации биомассы но оптической плотности осветленного жидкого продукта. Целесообразно к тому же измерять перепад давления на фильтре, по величине которого можно судить о забивании и необходимости регенерации фильтра.

В производстве спирта послеферментационные процессы осу­ществляются в брагоректифнкацнонных установках, где спирт от­гоняется паром из бражки, очищается от примесей и концентри­руется путем ректификации. В производстве хлебопекарных дрожжей, когда товарным продуктом являются сухие дрожжи, послеферментационные стадии включают сепарирование, фильт­рование дрожжевой суспензии на вакуум-фильтрах, гранулиро­вание дрожжевого теста и сушку гранул. Наиболее сложной для автоматизации является стадия сушки.

В односекционной сушилке с виброкнпяшим слоем (рис.

10.8) гранулы влажного продукта (дрожжевого теста) питате­

лем IV подаются из бункера III во входную часть сушильной

Рис 1(1.8. Схема автоматизации одно секционной сушилки инброкимяшего

слои

камеры V н попадают на внб- ролоток VI Под действием вибрации лотка и потоков горячего воздуха, выходящего из его отверстий, гранулы об­разуют кипящий слой, который постепенно перемещается к вы­ходу аппарата. Сушильным агентом служит воздух, кото­рый вентилятором II нагне­тается в калорифер I, нагре­вается глухим паром и затем подается под внбролоток VI су­шилки.

Сушка является сложным тепломассообменным процес­

сом. состояние которого как объекта управления характеризуют производительность по сухому продукту и остаточная влажность сухих дрожжей. Производительность зависит от расхода влажно­го продукта, подаваемого питателем, а остаточная влажность продукта — от его начальной влажности, производительности сушилки, а также расхода воздуха и его температуры на нходе в кипящий слой, которая определяется расходом греющего пара, подаваемого в калорифер. Основным возмущающим воздейст­вием для процесса сушки является изменение начальной влаж­ности продукта, а управляющими воздействиями могут служить изменение расхода влажного продукта на входе сушилки н изме­нение расхода пара в калорифере.

Основная трудность при управлении сушкой обычно связана с отсутствием подходящих автоматических влагомеров, серийно выпускаемых промышленностью. Поэтому об остаточной влаж­ности чаще всего приходится судить по косвенным показателям, роль которых играют температура сушильного агента на выходе нз аппарата и температура готового продукта Таким образом, автоматизация сушки обычно сводится к стабилизации темпера­турного режима.

В этом случае основной регулируемой величиной является температура в слое продукта вблизи от выхода сушильной ка­меры. а регулирующим воздействием — изменение расхода пара в калорифер. Поскольку сушилка как объект регулирования обладает большой инерцией и значительным запаздыванием, целесообразно для повышения качества регулирования приме­нить двухконтурную (каскадную) АСР (см п. 5.4).

Система автоматизации сушилки с виброкипяшим слоем (см. рис. 10.8) предусматривает автоматическое регулирование температуры воздуха на выходе нз калорифера (регулятор I) с коррекцией по температуре в слое дрожжей вблизи от выхода сушильной камеры (регулятор 2). Регулирование осуществляет­ся изменением расхода пара в калорифер. Заданная произво­дительность поддерживается путем стабилизации режима работы питателя IV При сушке кормовых дрожжей широкое распростра­нение получили распылительные, в частности струйные, сушилки, в которых сушильным агентом служит смесь воздуха и продуктов сгорания природного газа (см. рис. 6.5).