Управление процессом выращивания микроорганизмов по динамике температуры биомассы и концентрации кислорода в отработанных газах

Известно, что промышленные процессы выращивания микроорганизмов, в частности хлебопекарных дрожжей, подвержены целому ряду внешних возмущений и поэтому требуют непрерывного регулирования температуры биомассы и режимов её аэрации. Такое регулир ование часто затрудняется всевозможными отклонениями редуцирующих веществ в питательном растворе и сложностью определения начала анаэробного спиртового брожения, подавляющего дыхание микроорганизмов, чем существенно замедляется процесс их размножения. Современные автоматические системы управляют подобными процессами в основном по косвенным параметрам, например, скорости изменения температуры биомассы, не учитывают скорость изменения её концентрации и не упреждают возникновения спиртового брожения. В связи с этим предложен способ управления процессом выращивания микроорганизмов [1] на основе сравнения скорости изменения концентрации биомассы со скоростью изменения её температуры и скоростью изменения концентрации кислорода в отработанных газах.

Предложенный способ реализуется системой автоматического управления выращивания хлебопекарных дрожжей (рисунок).

В такой схеме выделен основной контур управления, который включает датчик 2, например, индукционный расходомер типа ИР-11 для контроля расхода воздуха, поступающего в дрожжерастительный аппарат 1 для аэрации биомассы, устройство управления 15, в качестве которого может быть использован электронный регулятор типа РП1-УП, и исполнительный механизм 16. Фактический расход воздуха, поступившего в аппарат 1, контролируется датчиком 2, информация с которого передаётся на управляющее устройство 15, где сравнивается с эталонным значением расхода, принятым от задатчика 11, например, типа ПД-44 УМ. В случае отклон ения фактического расхода воздуха от заданного, устройство 15 вырабатывает управляющий сигнал и передаёт его на исполнительный механизм 16, который в ту или другую сторону корректирует подачу воздуха в аппарат 1.

Основной контур управления дополняют три не менее важных информационных канала. Первый из них включает рефрактометрический датчик 3 концентрации x дрожжевой суспензии типа А1-ЕДР с преобразователем МП-П и дифференцирующий элемент 6, вычисляющий скорость х её изменения. Другой канал включает датчик 4 концентрации y кислорода в отработанных газах типа КМК-59 и дифференцирующий элемент 7, определяющий скорость у её изменения. Третий канал включает

ВестникВГУИТ, № 3, 2012

термометр сопротивления типа ТСМ-XI как датчик 5 температуры z дрожжевой суспензии и дифференцирующий элемент 8, находящий скорость Z её изменения. В качестве дифференцирующих элементов во всех случаях использованы дифференциаторы типа Д-П.

Отработанные газы

Рисунок. Концептуальная схема системы автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов

Текущие значения скорости Хс с дифференцирующего элемента 6 подаются на измерительные блоки типа И-УП, обозначенные на схеме рисунка как элементы 12 и 13, для сопоставления её со скоростями у и Z b одни и те же моменты времени.

Величины Х и у имеют одинаковую размерность, поэтому их сопоставление не вызывает технических затруднений и выполняется элементом 12 путём вычисления разности ( Х - у ), которая тем же элементом 12 совершенно аналогично сравнивается с уставкой £ 1 , сгенерированной задатчиком 9. Если при этом выполняется условие ( Х - у ) <  £ 1 , то выход блока 12 принимает значение 0 (ноль). В противном случае выходная величина блока 12 имеет значение А 1 = [( Х с - у ) - £ 1 ].

Величины Хс и Z имеют разную размерность и выражают скорость изменения по времени концентрации биомассы и её температуры, что создаёт некоторые методологические трудности в их сопоставлении. Однако кон- центрация x биомассы и её температура z есть функции времени х(t) и z(t), а скорости их изменения - производные Хи у этих функций по времени, которые для одного и того же момента времени геометрически интерпретируются одной и той же безразмерной величиной - тангенсом угла наклона касательной к графику функций х(t) и z(t).

Вполне очевидно, что в общем случае для каждого момента времени управляемого процесса следует говорить о разных касательных - к графику функции х ( t ) и к графику функции z ( t ). Такой подход даёт возможность вычисления разности ( Хс - Z ) значений производных Х и Z для одного и того же момента времени средствами измерительного блока типа И-УП (элемент 13 схемы рисунка). К этой разности можно предъявить некое технологическое требование £ ₂, такое, что если ( Хс - Z ) <  £ ₂, то выход блока 13 принимает значение 0 (ноль). В противном случае выходная величина блока 13 должна принять значение А ₂ = [( Х - Z ) - £ ₂]. При этом требование £ ₂ це-

ВестникВГУИТ, № 3, 2012 лесообразно подать на элемент 13 в виде уставки от элемента 10 (рисунок) как от задатчика.

Согласование концентрации x и температуры z дрожжевой суспензии с концентрацией у кислорода в отработанных газах достигается путём сравнения элементом 14 значений, поданных на него безразмерных величин А 1 и А 2 . Если величины А 1 и А ₂ одного знака, то большая из них по модулю передаётся элементом 14 на устройство управления 15 как невязка управления. Если величины А 1 и А ₂ имеют разные знаки, то элемент 14 вычисляет их алгебраическую сумму e= А 1 + А 2 и как невязку передаёт её на устройство управления 15. При выполнении условия А 1 = А ₂ невязка управления полагается равной нулю.

Опытная реализация рассмотренного способа и его лабораторные испытания показали, что регулирование процесса аэрации биомассы по соотношению динамики её концентрации и температуры с концентрацией кислорода в отработанных газах способствует оптимизации процесса и только в накопительный период повышает выход дрожжей не менее, чем на 5 %.