Разработка автоматизированных биотехнологических систем для управляемого культивирования микроорганизмов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.23, кандидат технических наук Швецов, Геннадий Алексеевич

• Швецов, Геннадий Алексеевич
• кандидат технических наук
• 1983

Оглавление диссертации кандидат технических наук Швецов, Геннадий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА. I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ

УПРАВЛЯЕМОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

1.1. Характеристика объекта управления . ®

1.2. Автоматизированные систеш для управляемого культивирования микроорганизмов

1.2.1. Средства измерения параметров процесса.

1.2.2. Комплексы, использующие ЭНЛ для управления процессом ферментации

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

ФЕРМЕНТАЦИИ. 22'

2.1. Общие принципы построения технического обеспечения автоматизированных систем управления процессом ферментации.

2.2. Требования, предъявляемые к отдельным приборам и узлам автоматизированных систем управления.

2.3. Принципы построения математического обеспечения комплекса.

ГЛАВА 3. ПРИМЕРЫ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ШОТЕХНО-Л0П1ЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КУЛЪТИВИРОЙ

ВАШЕМ.

3.1. Автоматизированные биотехнологические систеш, оснащенные средствами. локальной автоматики.

3.1.1. Субблок регулировашя рН.

3.1.2. Субблок регулирования тепературы

3.1.3. Субблок регулирования процентного содержания растворенного кислорода.

3.1.4. Субблок регулирования протока питательной среды.

3.2. Автоматизированная биотехнологическая система, функционирующая по жесткой программе

3.2.1. Функциональная схема многоканальной системы управления батареей ферментеров

3.2.2. Контроллер регистрации измеряемых параметров. ^

3.2.3. Блок-схема и описание работы блока связи.

3.3. Автоматизированная биотехнологическая система, оснащенная ЭВМ.

3.3.1. Техническое обеспечение комплекса

3.3.2. Математическое обеспечение комплекса.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка автоматизированных биотехнологических систем для управляемого культивирования микроорганизмов»

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 оптимального оостава и архитектуры построения автоматизированных биотехнологических систем;

- разработка тиражируемых вариантов специализированных моделей 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", выпускаете 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 биоинженерш 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.

Заключение диссертации по теме «Биотехнология», Швецов, Геннадий Алексеевич

ВЫВОДЫ

1. Разработан кошлекс проблемно-ориентированных методов построения технических и программных модулей автоматизированных биотехнологических систем, позволивший существенно сократить сроки и затраты на их разработку. Функционально полная номенклатура, оптимальное сочетание стандартных и специализированных технических и программных модулей обеспечило простоту компоновки конкретных автоматизированных биотехнологических систем единой архитектуры в соответствии с поставленными целями.

2. Разработана модульная структура многофункционального математического обеспечения биотехнологических систем для управляемого культивирования микроорганизмов, которое может быть применено в лабораторных экспериментах в исследовательских и пилотных установках с возможностью использования различных технических средств.

3. Созданные автоматизированные биотехнологические системы на базе мини- и микро-ЭВМ позволили существенно повысить эффективность лабораторных процессов ферментации за счет полной автоматизации всех основных операций, комплексного анализа состояния растущих микробных популяций и на этой основе более оптимального управления в реальном масштабе времени параметрами технологического процесса. Внедрение в практику лабораторных исследований системы "Автоферм-Г' позволило повысить эффективность исследовательских работ по отработке новых технологических режимов культивирования микроорганизмов за счет сокращения сроков исследований и уменьшения количества предварительных экспериментов при поиске оптимальных режимов ведения биотехнологических процессов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Швецов, Геннадий Алексеевич, 1983 год

1. Печуркин H,C., Терсков И.А. Автоселекционные процессы в непрерывной культуре шкроорганизмов. Новосибирск, Наука, 1973, 60 с.

2. Работнова И.Л., Позмогова И.Н. Хемостатное культивирование и ингибирование роста шкроорганизмов. М., Наука, 1979, 100 с.

3. Перт С.Дж, Основы культивирования шкроорганизмов и клеток. М., Мир, 1978, 331 с.

4. Березин H.B., Рабинович M.A., Синицин A.M. Исследование возможностей кинетического с пе ктрогаотометрического метода определения глюкозы. Биохимия, 1977, 42, JS 9, с. I63I-I636.

5. Sock Н., Iaberc-Porcar V. Micrometod for the quantative. determination of succinic acid in tiie fermentation media. Eur. J.Appl.Microbiol, and Biotechnol.,1980, 9, Ж I, p. 53-58.

6. Hutter К.-СГ., Eipel Н.Б. Microbial determination by flow cytometry. J.Gen.Microbiol.,1979,113, H2, p. 369-375.

7. Аиба Ш., Хемфри A., Миллис H. Биохимическая технология и аппаратура. М., Пищевая промышленность, 1975, 215 с.

8. Бабаянц А.В., Давыдов* В.П., Опришко А.А. Современное состояние и тенденции развития автоматизации управления микробиологическими процесошли. ЦБИИТЭИ приборостроения. Сер. ТС-З "АСУ", М., 1983, вып. I.

9. Титков Н.П., Сергеев Г.В., Состояние и перспективы развития АСУ в микробиологической промышленности. Обзор, ОНТИТЭИ Главмикробиопрома, 1978, 50 с.

10. Бирюков В.В. Нетрадиционные задачи управления процессами культивирования микроорганизмов, решаемые с применением ЭВМ. -В кн: Теория и практика непрерывного культивирования микроорганизмов. М., Наука, 1980, с. 139-188.

11. Кантерс В.М., Крамм Э.А. Анализ лабораторных установок для культивирования шкроорганизмов. М., Минмедпром, 1973, 68 с.

12. Литвин Э.И., Токарев Б.И., Балашевич И.Н., Савельев Д.Д., Штамм Р., Якушкин Б.Н. Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов. Авт. свид. СССРгё 522228. В кн: Бюллетень изобретений, 1976, В 27, с. 83.

13. Одиноков Г.М., Лоскутов Г.М. Система автоматического управления процессом непрерывного выращивания микроорганизмов. Авт. свид. СССР $ 527472. В кн.: Бюллетень изобретений, 1976, të 33, с. 83.

14. Unden A.A. Laboratory-scale computer-coupled fermentation system: equipment description and application. I-st Eur.Congr.4 é

15. Biotechnol., Juterlaken,I978,Prepr.Part 2,Francfurt/M., p. 97.

16. Cunningam W.B, Automatic determination of the concentratioi of bacteria in liquids. Pat. of Canada N 1024425, Ж 150-15,17.Ol.1978.

17. Клюшин Б.А., Воронин А.И., Сперанский С.Б., Ложкин В.И., Швецов Г,А. Устройство для отбора проб культуры. A.c. В 991930. -В кн.: Бюллетень изобретений, 1983, $ 3.

18. Келезцова E.H., Угодчиков Г.А. Построение и применение математических моделей динамики роста биомассы бактерий с учетом влияния взаимозаменяемых звеньев метаболизма. ЗЕМЭИ, 1980, fê I, с. 64-68.

19. Малашенко Ю.Р., Мучник Ф.В., Романовская В.А., Садовников Ю.С. Математические модели и ЭВМ в микробиологической практике. Киев, Наук, думка, 1980.

20. Симутис Р.10., Станишкис Ю.Ю. Синтез локальных систем управления для промышленных процессов биосинтеза. В об.: Техн. кибернет. Материалы конференции "Развитие технических наук в республике и использование их результатов". Вильнюс, 1979, с. 24-26.

21. Блохина И.Н., Угодчиков ТА. Исследование динамики микробных популяций, системный подход. Горький, Волго-Вятское ich. изд-во, 1980, 168 с.

22. Kjaergaarm Ъ,, Joergensen B.B. Redox potential as a state variable in fermentation systems. Biotechnology and Bio-engeneering Syiap., 1979 И 9, p. 85-94.

23. Ohashi M. , Watahe T., Ishikava T. et al. Sensors and instrumentation steam-sterilizable oxygen sensors and cell mass sen sors for on-line fermentation system control. Biotechnology and Bioengineering Symp., 1979» fi 9» P* I03-116,

24. Каталог измерительных приборов. М., Минприбор, 1982.

25. Миронов В.А., Павлычев В.А. Автоматическое регулирование газового состава в биологических исследованиях.- В кн.: Аппаратура для культивирования микроорганизмов. Пущино,1977, с.5

26. Lee Young Н., Tsao George Т. Dissolved oxygen electrods. Adv. Biochem. Eng., 1979, 13, p. 35 86.

27. Кассаб И., Ходе И., Силади И. и др. Применение анализатора "Контифло" для измерения биохимических параметров процессов ферментации. Хим-фарм. журнал, 1980, й I, с. 93 98.

28. Schultz Sims G. Affinity sensors for individual metabolits. Biotechnology and Bioeggineering Symp., 1979, N 9» p. 65 71.

29. Hewetson I.Y/., Jong Т.Н., Gray P.P. Use of an immobilized penicillinase electrode in the monitoring of the penicillin fermentation. Biotechnology and Bioengineering Symp., 1979,1. N 9, p. 125 135.

30. Камман К. Работа ионселективными электродами. М., Шр, 1980, с. 280.

31. Hatch R.T., Wilder С., Cadman T.W. Analisis and control of mixed cultures. Biotechnology and Bioengineering Symp., 1979, li 9, P. 25 37.

32. Swartz J.R., Cooney C.L. Indirect fermentation measurements as a basis for control. Biotechnology and Bioengineering Symp., 1979, H 9, p. 95 101.

33. Kernevez J.P., Konate L., Romette J.L. Determination of substrate concentrations by a computerized enzyme electrode. 1-st IFAC Workshop. Modelling and control of Biotechnical Processes. Abstr. Helsinki, August 17-19, 1982, p. 9.

34. Pons МДТ., Bordet I., Engaser J.M. A micro-mini computer ■ hierarchical control for a laboratory scale fermenter, I-st IFAC Workshop, Modelling and control of biotechnical processes. Abstr, Helsinki, Augest 17-19, 1982, p. 48.

35. Axelsson J.P., Hagander P,, Mandenins C.F., Mattiasson B. Computer comtrol of cucrose concentration in a fermenter with continuous flow. I-st IFAC Workshop. Modelling and Control of Biotechnical Processes.Abstr.Helsinki?Augest 17-19,1982,p. 50-52,,

36. Маяеханова С.Ф., Швецов Г.А., Есышн A.M. Фильтр верхних частот. Авт. свид. СССР В 646420. В кн.: Бюллетень изобретении, 1979, В 5.

37. Малеханова С.Ф., Швецов Г.А., Есышн A.M. Интегрирующий цифровой вольметр. Авт. свид. СССР В 547036. В кн.: Бюллетень изобретений, 1977, й 6.

38. Shioya S., Tacamatsu Т., Daizaku К, Measurement of state variables and controlling biochemical reaction processes. I-st IFAC Workshop. Modelling and control of Biotechnical Processes. Abstr. Helsinki, Augeat 17-19, 1982, p. 2-5,

39. Лубенцов В.Ф., Юсупбеков H.P., Бабаянц А.В., Кузшнова Г& Динамические модели процессов ферментации в производстве пенициллина. Хим.-фарм. журнал, 1982, 1 4, с. 99-106.

40. Sikyta В., Ricica J., Dobersky P. Automatisierter laborfers menter LF2. Abh. Acad. Wiss. DDR. Abt. Math., Naturwiss.,"iechn."1979 (1980), N 3, P. 3-346.

41. Nyeste Ъ., Veres A., Szigeti L., Kurocz J., Pungor Ee, Hollo J. A mini-computer controlled fermentation system. Abh. Acad. Wiss. DDR. Abt. Math., Haturwiss., Techn., 1979 (1980), Ж 3,p. 347-358.

42. Whate P., Aborney S., Hony E., Rogers P.L. Microprocessorcontrol of respiratory quotient. Biotechn. and Bioeng., 1978, 20, N 9, P. 1459-1463.

43. Туликова Т.В., Червяков С.С. и др. Система автоматического управления процессом культивирования микроорганизмов. А.С. СССР В 617504. В кн.: Бюллетень изобретений, 197/, j.

44. Cordonier М., Kernevez J.P., Leheault J.H., Kryze J. Microprocessor in fermentation control. Biotechnology and Bioengineering Symp., 1979, ЕГ 9, p. 227-230.

45. Mohler R.D., Hennigam P.J., Lim H.C., Tsao G.T., Weigand V/.Л. Development of a computerized fermentation system having complete feetbaclc capabilities for use in a research environment. Biotechnology and Bioengeneering Symp., 1979, N 9,p. 257-268.

46. Jefferis R.P., Klein S.S., Drakeford J. Syngle-board microcomputer for fermentation control. Biotechnology and Bio-ehgineering Symp., 1979, N 9, p. 231-239.

47. ЖБ-приборы. Общий каталог. 1981, 102 с.

48. Каталог фирмы "Электролюкс ферментейшн". 1981.

49. Одиноков Г.М., Федосеев К.Г. Обзор принципов управления ростом микроорганизмов при непрерывном культивировании и обоснование теплостата. М., Журн. микробиол. пром.,1971, JS I.

50. Миронов В.А., Платонов Л.А., Матяшов Ю.И. Протасевич И.И. Калориметрический комплекс аппаратуры для непрерывного.культивирования микроорганизмов. В кн.: Аппаратура для культивирования микроорганизмов, Пущино, 1974.

51. Нестеров В.Ф., Седов В.А., Литвиненко I.A., Смолин Б.И., Лавровский П.С., Меркулов ГО.Г. Лабораторный кошлекс приборов для культивирования микроорганизмов КПК-201. В кн.: Аппаратура для культивирования микроорианизмов. Пущино, 1980, с. 68-85.

52. Панкратов В.П. и др. Автоматизированные системы культивирования на основе многофункциональных блоков. В кн.: Биотехнология и биоинженерия. Тезисы докладов симпозиума. Рига, Зинатне, 1978, с. 89-90.

53. Кантере В.М. и др. Автоматизированная система научных исследований во Всесоюзном научно-исследовательском институте антибиотиков (АСНИ ВНЖА). В кн.: Успехи в области изучения антибиотиков. Вып. XI, Москва, 1982, с. 3-9.

54. Громов Г.Р., Ширшков Н.В., Литвиненко Л.А. Лабораторный аппаратно-программный комплекс ферментер-ЭВМ "Альфа-60". Препринт Н.Ц. биологических исследований АН СССР, Пущино, 1983, 21с.

55. Миронов В.А. Технические задачи, структура и принципы реализации комплекса аппаратуры для микробиологического эксперимента. В кн.: Аппаратура .для культивирования микроорганизмов. Пущино, 1980, с. 3-15.

56. Глушков В.М. Введение в АСУ. Киев, Техника, 1972, 256 с.

57. Технические системы культивирования микроорганизмов. Под ред. Виестура У.Э. Рига, Зинатне, 1978, 30 с.

58. Миронов В.А. Система обеспечения температурных режимов ферментера на термобатареях. В кн.: Аппаратура для культивирования микроорганизмов. Пущино, 1980, с. 31-38.

59. Харрисон Т. Управляющие вычислительные машины в АСУ технологическими процессами. М., Мир, 1975, с. 4.

60. Гитис Э.Н. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. M.-I., Госэнергоиздат, 1961.

61. Королев Г.И., Миронов В.А. Динамические свойства ферментера с термоэлектрическими модулями. В кн.: Магнитно-проводниковые и электромагнитные элементы автоматики, вып. 4. Рязань, идд-во РРТИ, 1975.

62. Террия автоматического управления. Под ред. A.B.Нетушила. М., Высшая школа, 1976.

63. Виестур У.Э., Кристансон М.Ж. Технические системы реализации процессов ферментации. М., ОНТИТЭИ Главмикробиопром, 1977.

64. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М., Наука, 1977, 426 с.

65. Хыоз Д&., Мичтон Д?;и Структурный подход к программированию. М., Мир, 1980.

66. Schoenfeld R.L,, Hablb S. Laboratory microprocessor applications and structured programming. IEEE Front. Eng. Health Care. IEEE/Eng. Med. and Biol. Soc. I-st Ann. Conf., Denver, Colo, 1979. New-York, n.y., 1979, 130-133,

67. Турский В. Методология программирования. М., Мир, 1981.

68. Установка для управляемого культивирования микроорганизмов "Фермус-1". Проспект Главмикробиопрома. Горький, 1981, 3 с.

69. Широгоров A.A. Аппаратурное обеспечение сопряжения ферментационной аппаратуры с ЭВМ. В кн.: Автоматизация биотехнологических исследований. Пущино, 1982, с. 73.

70. Малеханова С.Ф., Швецов Г.А. Некоторые схемы масштабных преобразователей цифровых вольметров постоянного тока.

71. В кн.: Вопросы радиоэлектроники. Серия РИТ, J& 5, 1975.

72. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных приборах. Л., Энергия, 1974, 236 с.

73. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М., Мир, 1982, 312 с.

74. Справочник по системотехнике. Под ред. Р.Макола. М., Советское радио, 1970, 315 с.

75. Швецов Г.А., Родичев B.C. Техническое обеспечение системы для управляемого культивирования микроорганизмов "Авто-ферм-1". В кн.: Динамика биологических популяций. Медвуз. сб., Горьк. ун-т, с. 147-150.

76. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. М., Наука, 1070. 567 с.

77. Кудряшов Б.П., Назаров Ю.В., Тарабрин Б.В. Аналоговые интегральные микросхемы.,М., Радио и связь, 1981, 160 с.

78. Справочник по электроизмерительным приборам /под ред. Насонова B.C. и.др./ М., Советское радио, т. 2, 1978, 271 с.

79. Габасов Р.Э., Наумович М,И, Дискретные регуляторы для систем с запаздыванием по управлению. В кн.: Автоматика и телемеханика, М., 1977, В 2, с. 64-72.

80. Брикач Г.Е., Клюшин Б.А., Паничев A.B., Родичев Б.С., Швецов Г.А. Автоматическая система для исследования и управления процессами микробиологического синтеза. В кн.: Электронная техника, серия 7 ТОПО, вып. 2, 1981, с. 65-69.

81. До дик С. Д. Полупроводниковые стабилизаторы напряжения. М., Советское радио, 1980.

82. Цооте R.L. pH-control: were getting there. Instrum.1'vi

83. Ге Technol., 1980, 27, N1, p. 59 60.

84. Голиченков B.C., Донской Я.Г., Кудряшов B.K. Устройство многоканального аналого-цифрового преобразователя К-485 "Биокоз-2". В кн.: Описание научных принципов устройства новых приборов и методики пользования ими. Пущино, ОНТИНЦБЙ АН СССР, 1978, с. 12.

85. Енпкеев Ш., Валеев Р., Рлухачев С. Автоматизированный исследовательский комплекс "Биотрон". В кн.: 3-й симпозиум социалистических стран по биотехнологии. Сборник тезисов. Братислава, 1983,АЧ-17.

86. Комаров Ю.П., Паничев A.B., Швецов Г.А. Математическое обеспечение автоматизированной системы управляемого культивирования микроорганизмов. В кн.: Динамика биологических популяций. Меявуз. сб./ Горьк. ун-т, 1982, с. 137-146.

87. XtrhrwirrsKXfl/fi /OA»p/tgfiyorfl/BG Otr &0x/7A¿tr*>¿> oo</í/¿>

88. W&if JOU1-4VK// 3 мл/олюъ Xwjffefojvjp OÍ/ J/t/-t- c/t/fj1. XtíMgil/7>r7 Э/OÎOgo rr/T//<3tnpoos ю/>хф/?д