Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЯЕМОГО ШЬТИВИРСВАШЯ МИКРООРГАНИЗМОВ 6
1.1. Характеристика объекта управления 6
1.2. Автоматизированные системы для управляемого культивирования микроорганизмов -6
1.2.1. Средства измерения параметров процесса 12
1.2.2. Комплексы, использующие ЭВМ для управления процессом ферментации 14
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФЕРМЕНТАЦИИ 22'
2.1. Общие принципы построения технического обеспечения автоматизированных систем управления процессом ферментации 22
2.2. Требования, предъявляемые к отдельным приборам и узлам автоматизированных
систем управления 26
2.3. Принципы построения математического обеспечения комплекса 38
ГЛАВА 3. ПРИМЕРЫ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ Ш0ТЇЇХН0-ЛОШЧЕСШХ СИСТЕМ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КУЛЪТИВИРОЙ ВАШЕМ 42
3.1. Автоматизированные биотехнологические системы, оснащенные средствами.локальной автоматики 42
3.1.1. Субблок регулирования рН 47
3.1.2. Субблок регулирования тепературы 50
3.1.3. Субблок регулирования процентного содержания растворенного кислорода. 52
3.1.4. Субблок регулирования протока питательной среды 55
3.2, Автоматизированная биотехнологическая система, функционирующая по жесткой
программе 56
3.2.1. Функциональная схема многоканальной системы управления батареей ферментеров 57
3.2.2. Контроллер регистрации измеряемых параметров 62
3.2.3. Блок-схема и описание работыблока связи 65
3.3. Автоматизированная биотехнологическая система, оснащенная ЭВМ 69
3.3.1. Техническое обеспечение комплекса 70
3.3.2. Математическое обеспечение комплекса ЧЧ
ВЫВОДЫ 90
ЛИТЕРАТУРА 9І
ПРИЛОЖЕНИЕ 101
- Характеристика объекта управления
- Общие принципы построения технического обеспечения автоматизированных систем управления процессом ферментации
- Автоматизированные биотехнологические системы, оснащенные средствами.локальной автоматики
Введение к работе
Продовольственной программой СССР на период до 1990 года, одобренной майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС и постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 24 июня 1981 года "0 дальнейшем развитии физико-химической биологии и биотехнологии и использовании их достижений в медицине, сельском хозяйстве и промышленности", определена важнейшая роль биотехнологических систем, предназначенных для исследования процессов роста и развития микроорганизмов и для решения задач промышленной микробиологии по производству биологически активных веществ, белково-ви-таминных концентратов, антибиотиков, бактерийных и вирусных препаратов .
Для ускорения технического прогресса, сокращения времени на разработку новых технологий важная роль отводится созданию серийно пригодных комплексов технических средств, позволяющих при оптимальном сочетании стандартных и специализированных технических и программных модулей обеспечить простоту компоновки конкретных систем единой архитектуры в соответствии с поставленными задачами.
В связи с вышеизложенным, цель работы заключалась в следующем: разработать комплекс проблемно-ориентированных методов построения технического и математического обеспечения автоматизированных биотехнологических систем для управляемого культивирования микроорганизмов и реализовать эти методы при создании тиражируемых вариантов комплексов технических средств.
Достижение этой цели предусматривало выполнение следующих этапов исследований:
- выбор на основе анализа литературных данных наиболее оп-
тималъного оостава и архитектуры построения автоматизированных биотехнологических систем;
разработка тиражируемых вариантов специализированных модулей автоматизированных биотехнологических систем;
создание ряда агрегатированных комплексов для управления процессом культивирования, позволивших поднять на качественно новый уровень постановку и проведение микробиологического эксперимента;
разработка программного обеспечения для ЭВМ "Электроника-60";
Испытание разработанных систем в экспериментах по культивированию микроорганизмов.
Научная новизна:
разработана методология построения автоматизированных биотехнологических систем, предназначенных для проведения экспериментов по культивированию микроорганизмов;
созданы на основе принципиально новых конструктивных решений дополнительные технологические модули, позволяющие адаптировать конкретные автоматизированные биотехнологические системы к широкому классу задач экспериментальной микробиологии.
Практическая значимость:
Созданы и внедрены на базе производства ГНИИЭМ и ОБ ВНЙИГе-нетика программно-ориентированные биотехнологические системы "Фермус", "Автоферм",. выпускаемые малыми сериями опытным цехом ГНИИЭМ. Экономический эффект от внедрения 1-й очереди системы "Автоферм" в ОБ ВНИЙГенетика составил 260 тыс. руб.
Апробация работы:
Основные результаты работы были доложены на Всесоюзном симпозиуме по биотехнологии и биоинженерии в Риге, 1978 г.; на
итоговых конференциях отделения биотехнологии ВНИЙГенетика в
1981, 1983 гг., г. Горький; на семинаре секции "Управление микробиологическими процессами" Всесоюзного микробиологического общества ВНША, г. Москва, 1982 г.
Материалы работы защищены тремя авторскими свидетельствами.
Публикации: результаты выполненных исследований представлены в 9 работах.
Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов, литературы и приложения.
Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков. Список использованной литературы состоит из 91 наименования.
В первой главе дан краткий обзор состояния проблемы по автоматизации процессов лабораторного культивирования микроорганизмов. Рассмотрены вопросы функционирования отдельных систем.
Во второй главе приводятся основные характеристики объекта управления и теоретические основы расчета узлов и модулей автоматизированных биотехнологических систем.
В третьей главе описаны технические решения и характеристики разработанных автоматизированных биотехнологических систем и математическое обеспечение комплекса "Автоферм-І".
На защиту выносятся следрщие положения диссертационной работы:
Методология системного анализа комплексов аппаратуры для автоматизации процессов управляемого культивирования микроорганизмов .
Набор агрегатированных комплексов автоматизированных биотехнологических систем для управляемого культивирования микроорганизмов ("Фермус-2", "Автоферм-I" и др.).
ГЖВА І. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЯЕМОГО ІОТЬЖВИРОВАНШ МИКРООРГАНИЗМОВ
1.1. Характеристика объекта автоматизации
Под объектом автоматизации в данной работе подразумевается процесс биосинтеза, проводимый на лабораторных установках культивирования микроорганизмов.
В настоящще время в практике исследования процессов микробиологического синтеза применяются периодический и непрерывный (проточный) методы культивирования микроорганизмов П,2] , Периодический метод характеризуется наличием нескольких фаз роста культуры. Культивирование начинается с лаг-фазы, которая, вообще говоря, не является обязательной. Ее возникновение зависит от несоблюдения оптимальных условий для роста посевного материала. Истощенные клетки, содержащиеся в посевном материале, должны перейти из состояния голодания или отравления в состояние, соответствующее размножению. Далее следует экспоненциальная фаза, рост в которой происходит с максимально возможной скоростью, генетически заложенной в клетке. Эта фаза в лабораторных условиях не может быть длительной, в частности, из-за недостатка кислорода в культуральной жидкости. Далее - фаза замедления роста, стационарная фаза и другие. Таким образом, клетка при периодическом культивировании претерпевает значительные изменения свойств, обусловленные непрерывными изменениями окружающей среды и быстрой реакцией на них клеток [Ъ,4~1.
Метод проточного культивирования характеризуется непрерывной подачей питательной среды микроорганизмам! со скоростями, соответствующими динамике их размножения в данных условиях. При этом происходит отток культуральной жидкости, и объем культуры
остается неизменным. Б ферментере создаются условия, соответствующие экспоненциальному росту [53 .
Известны методы культивирования, занимающие промежуточное пологкение между непрерывным и периодическим. Это объемно-долив-ной метод и метод добавления питания к периодичесвой культуре без съема культуры (продленная культура) [2] . С точки зрения аппаратурного оформления периодический и непрерывный метод мало различаются, и технические средства, позволяющие проводить непрерывное культивирование, пригодны для периодического метода. Контроль и управление непрерывншли процессами могут осуществляться различными способами. Основншди являются хемостатный (с заданной скоростью протока) и турбидостатный (с заданной концентрацией биомассы).
В хемостате задается скорость разбавления культуры или скорость протока. Б этом режиме концентрация биомассы определяется недостаточной концентрацией одного из элементов питания в среде, в то время как остальные компоненты имеются в среде в достаточном количестве. Для реализации этого способа необходим стабильный дозатор питательной жидкости, позволяющий в широких пределах задавать скорость разбавления в ферментере. Кроме того, для проведения экспериментов с культурой необходшяа система термос татирования культуральной жидкости, контур регулирования рН среды, система стабилизации концентрации растворенного в культуральной жидкости кислорода, а также, в зависимости от цели эксперимента, другие датчики и анализаторы состояния культуры, использование и работа которых описана в [6,7, 8,9 ] .в турбидоста-те плотность бактериальной культуры на заданном уровне поддерживается при помощи физических и физико-химических методов, например, по изменению оптической плотности растущей культуры. При
этом скорость протока автоматически уравнивается со скоростью роста культуры. Кроме описанных, существуют некоторые модификации способов выращивания. Известен двухстадийный способ выращивания дрожжей, предложенный английской фирмой 2istiPeers Co. Ltot . Этот способ широко применяется для получения биомассы и различных целевых продуктов. Дальнейшим развитием двухступенчатых способов являются многоступенчатые. Особенностью этих способов является необходимость одновременной работы в различных режимах нескольких ферментеров.
Достаточно широко начинает применяться способ культивирования микроорганизмов с подачей свежей питательном среды в ферментер при изменении концентрации растворенного в культуральной жидкости кислорода - оксистат [ П .
Возможен также (-и используется на практике) способ подачи питательной среды в ферментер по изменению значения рН культуральной жидкости (модификация турбидостата) - рН-стат. Б этом режиме используется прямая связь между скоростью изменения рН культуральной жидкости и скоростью роста микроорганизмов. Достаточно эффективным методом изучения влияния внешних факторов является исследование культур микроорганизмов в переходном состоянии от одного стационарного состояния в хемостате к другому. Преимуществом изучения переходных состояний в хемостате является то, что на культуру действует изменение только одного фактора при полном постоянстве всех остальных. Этот метод изучения влияния внешних факторов на физиолого-биохимические своства микроорганизмов в последние годы находит все более широкое применение.
Основными регулируемыми в процессе ферментации параметрами являются температура, давление, уровень пены, величина рН, пар-
циальное давление ішслорода и углекислого газа в культуральной жидкости, а также концентрация биомассы. Кроме того, одним из важнейших показателей являются параметры физиологического состояния культуры. К их числу можно отнести скорость роста, потребление кислорода, компонентов питательной среды, скорость выделения кислотных или щелочных продуктов метаболизма, тепловыделение и т.д.
В процессе ферментации контролируются биохимические показатели среды: концентрация углеводов, аммонийного азота, неорганических фосфатов, а также концентрация и активность выделяемого культурой целевого продукта [WM1.
Трудоемкие и ответственные операции по подготовке экпери-мента, такие как стерилизация аппаратов, питательных сред, датчиков, разгрузки, а порой и отбора проб, носящие характер программно-логического управления, выполняются вручную.
Имеется ряд особенностей, отличающих процессы ферментации от других технологических процессов. Процессы биосинтеза протекают внутри живой клетки, а факторы, непосредственно влияющие на них, трудно определить с помощью обычной контрольно-измерительной аппаратуры.
Для обеспечения чистоты и повторяемости экспериментов по культивированию микроорганизмов необходимо соблюсти высокий уровень асептики, для чего требуется стерилизация всего оборудования, имеющего контакт с жидкой и газовой фазами среды обитания микроорганизмов. Сравнительно высокие температуры стерилизации (130-140С) предъявляют дополнительные требования к средствам измерения, которые не должны менять своих характеристик при их паростерилизации, а обеспечение условий стерильности и возможность наличия в атмосфере агрессивных .составляющих предъявляет
более высокие требования к системе контроля и управления [Н2^ъ1.
Разработка систем управления предполагает выбор, исходя из критерия управления, комплекса взаимосвязанных задач, которые формируются на основе функционально-алгоритмического синтеза системы. Для их реализации осуществляется выбор структуры системы управления, комплекса технических средств и разрабатывается программное обеспечение.
С учетом упомянутых выше особенностей микробиологических процессов одной из основных задач является выбор или, в случае необходимости, разработка такого принципа построения системы управления, который бы обеспечил эффективное ее функционирование с заданными функциональными возможностями, надежными характеристиками и' минимально возможными затратами.
В настоящее время широкое применение средств вычислительной техники позволяет успешно решать традиционные задачи управления микробиологическими процессами, а именно, сбор, первичную обработку, регистрацию и отображение информации, осуществление функций регулирования отдельных параметров процесса [^/15,]. В то же время, существенные отличия микробиологических процессов, в частности, от химических, накладывают отпечаток на характер задач контроля и управления, а также на способы их решения.
В первую очередь это относится к средствам измерения. Вследствие необходимости стерилизации технологического оборудования, например, датчики для измерения величины рН, еН, POg, рСС>2 и др. изменяют свои характеристики, что приводит к недостоверности получаемой информации. Если каким-то путем не предотвратить (или не учесть) дрейф характеристик датчиков, это приведет к срыву эксперимента или получению недостоверных результатов.
Важными параметрами процесса ферментации являются концент-
- II -
рация биомассы [-17] и скорость роста культуры. Эти показатели характерны только для микробиологических процессов, знание их необходимо для управления процессом ферментации. Однако, за исключением измерителей, описанных в D8J9] , отечественной промышленностью серийно не выпускаются непрерывные измерители оптической плотности культуральной жидкости. Трудностью определения этого параметра является то , что для сред, в которых присутствуют гетерогенные включения типа соевой муки, не удается прямыми методами измерения определить значение оптической плотности. В связи с этим возникает задача определения этого показателя по косвенным параметрам.
Характерными параметрами, косвенно характеризующими физиологическое состояние культуры, являются: удельная скорость потребления кислорода, удельные скорости потребления различных субстратов, скорость сдвига величины рН культуральной жидкости. Для их оценки часто используют данные лабораторного анализа, однако, большая погрешность их определения (кроме последнего параметра) вносит неточность при управлении.
Применение средств вычислительной техники позволяет решать часть задач по управлению, например, осуществлять расчет косвенных параметров, прогнозировать ход процесса и т.д.
Актуальной проблемой управления процессом культивирования микроорганизмов является моделирование этого процесса [20] . В настоящее время имеется много видов зависимостей, описывающих кинетику роста биомассы, потребления субстрата, образования продуктов метаболизма и целевого продукта[2^22,2з], однако, они мало используются для целей управления. Практически все математические модели процессов культивирования микроорганизмов обладают общим свойством - они представляют собой систему дифференциаль-
ных уравнений ^ -го порядка с нелинейной правой частью вида 12«]:
где і - концентрация і -й компоненты;
і - время;
А - коэффицинты уравнений.
Естественно, что при использовании такого вида уравнений для управления процессами биосинтеза возникают проблемы, связанные как с идентификацией модели, так и с оптимизацией процесса. Здесь необходимо уже применять методы нелинейного программирования, которые, во-первых, не универсальны, как, например, метод линейного программирования, а во-вторых, достаточно сложны, что, в свою очередь, требует использование средств вычислительной техники с большой разрядностью и быстродействием. Существенная нестационарность периодических процессов ферментации, заключающаяся в изменении во времени характеристик процесса, а также слабая воспроизводимость микробиологических процессов требует применения адаптивных методов и алгоритмов управления процессом ферментации, особенно если управление осуществляется в реальном масштабе времени.
1.2. Автоматизированные системы для управляемого культивирования микроорганизмов
І.2.І. Средства измерения параметров процесса.-
Средства измерительной техники играют важную роль в системах управления процессами биотехнологии, а отсутствие метрологического обеспечения датчиков параметров процесса тормозит развитие автоматизации микробиологического эксперимента.
В настоящее время для лабораторного культивирования разработаны датчики для измерения величин рН, рС^, еН, характеризующих регуляторные механизмы клеток, кинетику роста и размножения
МИКрООргаНИЗМОВ, бИОСИНТез ЦелеВОГО Продукта [25 26,27,28,29] .
Для определения концентраций физиологически важных в ходе ферментации биохимических показателей, таких как углеводы (глюкоза, сахароза и т.д.), аммонийный азот, неорганические фосфаты, а также для измерения активности целевого продукта, разработан анализатор "Контифло"[50] , который по принципу действия является аналогом выпускаемого в США автоматического анализатора " Тесїтісозі ". Для определения перечисленных биохимических показателей может быть использован новый тип датчиков на основе ионселективных электродов, позволяющих специфически и количественно определять большое число веществ, в том числе простые неорганические ионы, аминокислоты и сложные органические соединения [Ы,Ь2]. В работе [32>] рассмотрены основные типы ионселективных электродов и рекомендации по их эксплуатации.
Разрабатываются принципиально новые методы определения концентрации биомассы на основе использования лазерной техники[34].
Для увеличения точности измерения кислорода и углекислого газа в отходящих газах применяется ЭВМ, управляющая процессом ферментации, автоматически производящая калибровку анализаторов Og и CC^t55! . ЭВМ используется также для калибровки измерительного электрода концентрации глюкозы и для вычисления реального значения содержания глюкозы в культуральной жидкости [ЗД .
В лабораторных условиях ферментационных процессов часто имеются и используются в исследованиях перистальтические насосы для подачи жидкостей с различной плотностью и вязкостью, что также требует их периодической калибровки [S7J . Для лабораторного
ферментера задача калибровки подаваемого насосом субстрата решена с помощью микро-ЭШ lt>l-Л [Ь8] ш
Установленное на ферментерах оборудование - приводы мешалок, электрических исполнительных механизмов - является истони-ком электрических помех, накладывающихся на сигналы измерений; дополнительно к этому, датчики с высоким выходным импедансом и малыми входными уровнями сигналов подвергаются сильному воздействию помех. Дяя увеличения помехоустойчивости этих каналов измерения необходимо использовать как аппаратные, так и программные средства комплекса. Использование аналого-цифровых преобразователей интегрирующего типа с синхронизацией запуска от силовой сети повышает помехозащищенность комплекса [53,4 о] . Применяются такие различные методы математической фильтрации в микро-ЭВМ [4-і].
В последнее время большое внимание уделяется изучению динамических характеристик процесса ферментации. Результаты исследования процесса ферментации показывают, что основными их особенностями является наличие запаздываний, инерционности, существенной нестационарности и нелинейности характеристик. Модель динамики объекта для отдельного канала управления является многопараметрической, при этом основная часть параметров изменяется во времени в широком диапазоне [4-2] .
1.2.2. Комплексы, использующие ЭВМ для управления процессом ферментации
За рубежом для решения задач контроля и управления процессом ферментации широкое применение получили микро-ЭШ. Такова лабораторная ферментационная установка L7 2, созданная совместно учеными ЧССР и ГДР на базе настольной вычислительной машины КР 9825А [43>] . з Венгрии разработана система [44] , позволяющая
с помощью настольного калькулятора EMG -666 управлять ферментационными установками В lot ее (Швеция) и Biofer (Венгрия). Управление в этих системах производится подачей глюкозы с использованием дыхательного коэффициента [45, 4 g] .
На базе микропроцессора " InteE. 4004" построена сложная система управления процессом ферментации [4 7] , которая выполняет функции контроля следующих параметров: температура, давление, величана рН, концентрация растворенного кислорода,уровень пены, скорость вращения мешалки и управление насосами подачи кислоты, щелочи, пеногасителя, приводом мешалки. Кроме того, система регулирует подачу охлаждающей воды и воздуха. Концентрация растворенного кислорода регулируется либо скоростью вращения мешалки путем выбора одной из двух скоростей, либо изменением подачи воздуха, причем приоритет отдается управлению скоростью вращения мешалки. Диалог между оператором и микро-ЭВМ организован с помощью телетайпа, однако для оперативного отображения информации в систему включены четыре цифровых индикатора, которые непрерывно высвечивают значения рН, температуры, концентрации растворенного кислорода, скорости вращения мешалки.
В системе предусмотрена возможность добавления в базовую конфигурацию различных модулей в соответствии с требованиями пользователя, включая новые датчики, исполнительные механизмы, программные модули. Система функционирует в полуавтоматическом режиме. Используя результаты анализов отходящих газов на содержание СО2 и 0, вычисляется производительность по биомассе и содержание сутх веществ. Кроме микро-ЭВМ, система включает в себя телетайп, АЦП, 16-канальный коммутатор аналоговых сигналов вольтового и милливольтового уровня, связанный со входом АЦП, ЦАП, рассчитанный на работу с 16 выходными каналами и др.
В работе [4 8] приведено описание системы "ЭВМ-ферментер", работающей в режиме "обратной связи". В этом комплексе ЭВМ, кроме контроля обычных параметров ферментации, осуществляет поддержание устойчивости заданных режимов управления процессом ферментации.
Сделана попытка создания микро-ЭВМ и программное обеспечение, которые могли бы быть адаптированы для управления ферментаторами любого масштаба от лабораторного до промышленного [4 93 . Система реализована на базе одноплатной микро-ЭВМ фирмы,!]и 1-е типа &ЬЬ -732 и устройства ввода-вывода &ВЬ -732, выполненного на одной плате. Эти платы помещены в блок-каркас и объединены с помощью внутриблочного интерфейса в единую систему, допускающую расширение, чем достигается ее гибкость и универсальность применения.
Широко известна система управления ферментацией фирмы,.ЬКВ Она позволяет измерять и контролировать такие параметры процесса ферментации, как температура культуральной жидкости, рН, окислительно-восстановительный потенциал, уровень пены, растворенный кислород. С передней панели системы управления можно вручную задавать пределы стабилизации параметров среды. Аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав системы, позволяет в цифровом виде выдавать информацию о параметрах процесса для ЭВМ 150} . Недостатком системы, на наш взгляд, является то, что для полностью автоматизированного процесса ферментации необходимо дополнительное оборудование для того, чтобы ЭВМ могла воздействовать на процесс.
Шведская фирма "Электролюкс" выпускает базовое оборудование для процесса ферментации, включающее в себя ферментер и базовый приборный блок управления [^3 . Функции, выполняемые блоком уп-
равления, аналогичны функциям блока управления фирмы 1"КЬ .По
специальному заказу фирма поставляет комплект оборудования, соединенного с ЭВМ.
Из рассматриваемых зарубежных систем управления процессом ферментации можно сделать заключение о тенденции использования в качестве ЭВМ нижнего уровня простых, с малой разрядностью, невысокого быстродействия и высокой помехоустойчивостью микро-машин. Большое значение придается гибкости программного обеспечения систем.
В настоящее время в производстве отечественной аппаратуры для культивирования и исследования микроорганизмов слойсилась практика создания достаточно сложных аппаратов, каждый из которых предназначался для решения ограниченного круга вопросов общей задачи комплексной автоматизации микробиологических исследований. Например, аппараты типа "АНКУМ", обеспечивая большинство . известных режимов культивирования, не шлеют устройства, позволяющего подключать к комплексу ЭВМ [52].
На основе "АНКШа" разработан ряд специализированных установок. Например, АРУМ-І-І0 - установка для изучения газообменных процессов при очистке сточных вод Г5Ъ] , КНКМ - установка для исследования тепловыделения микроорганизмов [54].
В СКБ БП АН СССР на основе аппарата АК-І0-І собрана установка для непрерывного культивирования фототрофныи микроорганизмов [55] . 3 состав этой установки включен программируемый калькулятор 15 ВСМ-5. Установка состоит из технологической части, включающей в себя ферментер с датчиками, исполнительными механизмами, вспомогательными устройствами и устройства автоматического контроля и управления процессом ферментации. В состав системы автоматического управления входят программируемый калькуля-
тор, цифровой вольтметр, 16-ти канальный коммутатор. Система позволяет автоматически измерять и регистрировать рН, еН, ТС, pOg, оптическую плотность. Имеется возможность выдачи по программе управляющих сигналов на дозаторы. Однако, в этой установке отсутствует возможность полностью автоматического, от ЭВМ, управления процессом (выход с машины только на дозаторы). ЭВМ в этой установке не может управлять температурой и содержанием растворенного кислорода в культуралы-юй жидкости. В состав математического обеспечения системы входят две базовые программы, составленные для периодического и непрерывного культивирования. Процесс программирования позволяет практически для каждого эксперимента видоизменять основные программы. Недостатком системы является невозможность реализации большинства режимов культивирования при отказе ЭВМ, т.к. ЭВМ непосредственно принимает участие в стабилизации, например, рН или оптической плотности.
В состав комплекса аппаратуры для автоматизации микробиологического эксперимента хорошо вписывается прибор для автоматического управления составом питательной среды "ГАША-З" [$<>] . Прибор имеет 5 каналов управления подачей различных компонент питательной среды и, кроме того, два канала для подачи титрующих растворов (щелочь и кислота) от регулирующего устройства рН пропорционального действия. В состав прибора входит регулятор концентрации, позволяющий по сигналам с измерителя какого-либо параметра, в частном случае это может быть коцентрация микроорганизмов в суспензии (оптическая плотность), управлять потоком питательной среды с заданным соотношением (по каждому из каналов). Возможные режимы работы - хемостат, турбидостат, рїї-стат и дистанционный, в котором ЭВМ управляет работой всех дозаторов и задает уставки для поддержания рН и оптической плотности.
В Институте биологической физики АН СССР для комплектации автоматизированной системы культивирования разработано несколько функциональных блоков. Разработчики этой системы считают, что в практике культивирования в качестве исполнительных устройств целесообразнее применять элементы дискретной автоматики, которые позволяют использовать непосредственно для целей управления вычислительную технику без промежуточных преобразователей исполнительных сигналові5?] . В качестве привода исполнительных механизмов наиболее практичен шаговый привод со стандартной схемой управления. Использование шагового двигателя позволило создать насос-дозатор жидкости, микрокомпрессор, привод анализатора. Для управления исполнительными элементами разработан релейный усилитель с высоким входным импедансом, позволяющий совместно с различными датчиками обеспечивать регулирование большинства показателей процесса культивирования.
Во ВНИИ антибиотиков разработана автоматизированная система научных исследований [Ь*3 .в состав этой системы как часть входит подсистема исследования процесса биосинтеза с помощью вычислительной техники и подсистема автоматизации технологичесішх процессов ферментации. Подсистема технологических процессов ферментации выполняет следующие функции: контроль, индикация, сигнализация, регистрация, аналоговое регулирование, дистанционное управление, В подсистеме исследований процесса биосинтеза с помощью средств вычислительной техники выполняются функции: организации базы данных, поиск, анализ, представление информации, управление процессом биосинтеза по моделям, сбор, первочная обработка информации, расчет показателей процесса биосинтеза.
В НИЩ АН СССР (г. Пущино) разработана система "Альфа-60" [591 , созданная на базе функциональной группы микро-ЭВМ "Элек-
троника-60". Аппаратура комплекса обеспечивает автоматизированный сбор, ввод в ЭВМ и цифровую регистрацию данных, поступающих от датчиков аппаратуры культивирования микроорганизмов типа "АНКУМ". Программное обеспечение комплекса позволяет микробило-гу контролировать процесс сбора экспериментальных данных и вести их диалоговую обработку до, в ходе и после эксперимента. Аппаратура комплекса устойчиво работает в условиях повышенного уровня помех, высокой температуры и влажности. Она обеспечивает режим круглосуточной непрерывной работы в течение не менее 7-Ю суток в условиях реального микробиологического эксперимента. Недостатком данной системы можно считать одностороннюю связь с ЭВМ объекта, т.е. отсутствие возможности для ЭВМ воздействовать на объект.
В стадии разработки находятся лабораторные ферментационные установки типа ФУ-6, оснащенные микропроцессорной системой управления [^03 . Такая установка состоит иа двух блоков, конструктивно оформленных в виде отдельных стоек: блок ферментации ФС-6 и блок измерения и регулирования параметров ПАУ-6. Управляющая микро-ЭВМ собрана на базе микропроцессоров 580ИК80. Для связи микро-ЭВМ с датчиками и исполнительными механизмами разработаны аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи на базе микросхем серии К572. Шкро-ЭШ оснащена интерфейсами, позволяющими подключать стандартные периферийные устройства: фотосчитыватель, перфоратор, дисплей. Имеется интерфейс связи с управляющей мини-ЭВМ М-6000, что позволяет использовать микро-ЭВМ как терминал данной машины и создавать иерархическую систему с центральной управляющей мини-ЭВМ и несколькими микро-ЭВМ, каждая из которых осуществляет управление своей ферментационной установкой.
Из анализа литературных данных в области автоматизации процессов управляемого культивирования микроорганизмов следует, что наиболее важными вопросами,, требующими решения, являются:
Разработка общих принципов построения технического обеспечения автоматизированных систем управления процессами ферментации.
Реализация блочно-модульного принципа построения технического и математического обеспечения автоматизированных систем управления процессами культивирования микроорганизмов.
Характеристика объекта управления
Под объектом автоматизации в данной работе подразумевается процесс биосинтеза, проводимый на лабораторных установках культивирования микроорганизмов.
В настоящще время в практике исследования процессов микробиологического синтеза применяются периодический и непрерывный (проточный) методы культивирования микроорганизмов П,2] , Периодический метод характеризуется наличием нескольких фаз роста культуры. Культивирование начинается с лаг-фазы, которая, вообще говоря, не является обязательной. Ее возникновение зависит от несоблюдения оптимальных условий для роста посевного материала. Истощенные клетки, содержащиеся в посевном материале, должны перейти из состояния голодания или отравления в состояние, соответствующее размножению. Далее следует экспоненциальная фаза, рост в которой происходит с максимально возможной скоростью, генетически заложенной в клетке. Эта фаза в лабораторных условиях не может быть длительной, в частности, из-за недостатка кислорода в культуральной жидкости. Далее - фаза замедления роста, стационарная фаза и другие. Таким образом, клетка при периодическом культивировании претерпевает значительные изменения свойств, обусловленные непрерывными изменениями окружающей среды и быстрой реакцией на них клеток [Ъ,4 1.
Метод проточного культивирования характеризуется непрерывной подачей питательной среды микроорганизмам! со скоростями, соответствующими динамике их размножения в данных условиях. При этом происходит отток культуральной жидкости, и объем культуры
-7 остается неизменным. Б ферментере создаются условия, соответствующие экспоненциальному росту [53 .
Общие принципы построения технического обеспечения автоматизированных систем управления процессом ферментации
При рассмотрении задач, стоящих перед микробиологами, с точки зрения автоматизации, необходимо учитывать следующее. Объектом исследования являются микроорганизмы, т.е. биообъекты, помещенные в замкнутый стерильный объем - ферментер. В ферментере создаются условия, необходимые для жизнедеятельности, развития и размножения микроорганизмов. Средством воздействия на процессы, происходящие в биообъекте, является изменение условий среды в ферментере. Микроорганизмы в процессе своего развития воздействуют на среду, выделяя продукты жизнедеятельности и изменяя ее физико-химические свойства. Исследователь в соответствии с целью эксперимента, используя известные методы, должен получить информацию о состоянии биообъекта и параметрах среды обитания, проанализировать ее и оказать необходимое воздействие, чтобы направить жизнедеятельность микроорганизмов в нужном направлении. Объект управления - культуральная жидкость с микроорганизмами - это многопараметрический многосвязный объект с нестационарной структурой [ бі ]. В целом объект автоматизации объединяет в себе объект управления, формализуемую часть функциональной деятельности экспериментатора, диагностику состояния аппаратуры и процесса ферментации.
2.1. Общие принципы построения технического обеспечения автоматизированных систем управления процессом ферментации При разработке принципов построения технического обеспечения АСУ процессом ферментации были использованы общие прин -23 ципы построения автоматизированных систем, наиболее полно сформу лированные академиком В.М.Глушковым [ 62 ] . Учитывая вышеизложенное, были разработаны следующие принципы:
Автоматизированные биотехнологические системы, оснащенные средствами.локальной автоматики
В соответствии с предложенной структурой комплекса технических средств первым этапом разработки таких систем явилось создание лабораторной установки для непрерывного и периодического культивирования "Фермус-1", которая была разработана совместно с КБ опытного цеха ГНИИЭМ. Блок-схема установки
В этой системе реализованы два уровня комплекса. Первый уровень, "уровень ферментации", содержит ферментер в виде стеклянного цилиндра с металлическими верхним и нижним фланцами, В нижней крышке расположены электрический нагреватель и петля теплообмен-ника охлаждения, а также штуцеры для подключения пробоотборников и анализаторов. В верхней крышке сделаны отверстия для ввода датчиков рН, еН, температуры и для проходных штуцеров подачи рН-ре -43 агентов и компонентов питательной среды. Внутри ферментера расположено перемешивающее устройство турбинного типа с верхншл приводом от двигателя постоянного тока. Подача рН-реагентов и компонентов питательных сред производится перистальтическими насосами, приводящимися в действие двигателями постоянного тока. Блок подготовки газов позволяет вручную установить объемное соотношение двух газов, подающихся в ферментер. Второй уровень, "уровень регулирования", конструктивно выполнен в виде стойки с расположенными в ней приборами. В качестве измерителей используются серийно выпускаемые приборы: - рН-метр аналоговый П-20І для измерения рН; - преобразователь промышленный 11-205 для измерения еН; - мост показывающий уравновешенный типа КПМ-І, выполняющий функции измерения и регулирования температуры. Точность регулирования температуры і 0,25С.
