Brevet FR2092686A1 — publié le 19720128

L'invention concerne les dispositifs pour la commande automatique de processus de biosynthèse dans les micro-orga nismes. I1 peut être utilisé pour commander des processus de biosynthèse des souches spéciales de levures, de bactéries productrices d'hydrogène et de méthane lors de leur chimiosynthèse gazeuse ou d'algues vertes unicellulaires type Chlorella, Scenedesmus, etc. lors de leur photosynthèse. On connaît des dispositifs pour stabiliser certains paramètres du processus de biosynthèse, par exemple, la température, le pH, le rH, ainsi qu'un régulateur turbidostatique de densité. En général les dispositifs indiqués sont surtout utilisés séparément les uns des autres. L'inconvénient des dispositifs indiqués réside dans le fait que leur utilisation ne permet pas de commander auto matiquement le processus de biosynthèse selon un régime assigné ou un régime optimale, car la commande n'est pas assurée d'après l'état de l'objectif biologique, et l'on ne fait que de stabiliser certains facteurs secondaires du processus de biosynthèse. En particulier, le régulateur turbidostatique de densité ne donne pas une information objective sur la concentration des cellules cultivées dans le milieu étudié, et représente un appareil de mesure de la turbidité du milieu qui se compose de la turbidité créée par le substrat nutritif, les produits de métabolisme, et la turbidité créée par les micro-organismes, les caractéristiques optiques de la culture pouvant d'ailleurs varier au cours de la biosynthèse. C'est pourquoi les dispositifs indiqués sont inutilisables de par leur principe pour la commande automatique du processus de biosynthèse. Il convient de remarquer que la végétation croissante de micro-organismes qui participe à un processus quelconque de biosynthèse, doit être considérée en tant qu'un système cybernétique adaptif compliqué, capable d'une autorégulation, et dont la commande doit être réalisée par un système assurant un ensemble de paramètres de culture déterminé et modifiant de manière adéquate cet ensemble lorsque l'état physiologique de la vége- tation cultivée est modifié. Ainsi, la commande du processus doit être conduite selon une série de paramètres de culture liés par l'objectif de réglage, obligatoirement en présence d'une contre-réaction entre la série de paramètres de culture et ltétat physiologique de la végétation cultivée. En outre, dans les dispositifs connus, il est impossible d'obtenir une information indiquant le rapport entre la composante principale du milieu nutritif par exemple des hydrocarbures, et la masse des cellules microbiennes contenues dans le réacteur. Enfin, les dispositifs connus ne permettent pas de pré ciser le régime de biosynthèse optimal trouvé par voie expérimentale, et n'ont pas de propriétés d'autorégulation et de commande automatique permettant d 'obtenir un maximum de vitesse de croissance de la végétation dans le réacteur de culture. L'invention vise à créer un dispositif de commande automatique du processus de biosynthèse des micro-organismes pouvant Entre utilisé dans les installations industrielles en vue d'accroitre l'efficacité du processus de biosynthèse. Le dispositif de commande automatique du processus de biosynthèse par les micro-organismes contenus dans un réacteur de culture est caractérisé en ce qu'il comprend un canal d'entrée d'information courante concernant les volumes des cellules individuelles de micro-organismes contenus dans le réacteur, et un dispositif logique raccordé audit canal, relié aux mécanismes opérateurs introduisant les substances nutritives dans le réacteur, transformant l'information courante du canal en paramètres de répartition statistique des cellules individuelles selon leurs volumes et comparant ces paramètres avec les paramètres assignés, ledit canal prévu pour obtenir l'information courante comportant, reliés en série un doseur dans lequel la prise d'essai du contenu du réacteur est diluée, un capteur des volumes des cellules individuelles, un amplificateur et un dispositif de mise en forme de signaux électriques proportionnels au volume des diverses cellules. A l'entrée du dispositif logique peut être connecté un canal intégrateur électro-optique de mesure de la concentration des cytochromes dans les cellules microbiennes continues dans le réacteur, ce canal étant raccordé à ce dernier par son entrée et comportant reliés en série un appareil de mesure de concentration des cytochromes, un dispositif comparateur, un amplificateur des signaux électriques proportionnels à la concentration des cytochromes, et un dispositif de mise en forme de ces signaux. I1 est avantageux de raccorder à l'entrée du dispositif logique un canal intégrateur pour mesurer le rapport quantitatif entre la végétation et la composante principale du milieu nutritif contenu dans le réacteur, par exemple des-paraffines de pétrole, ce canal étant raccordé par son entrée à ce dernier et comportant couplés en série un capteur de la quantité de végétation, un amplificateur du signal électrique proportionnel à la quantité de végétation, un bloc déterminant le rapport entre la quantité de végétation et la composante principale du milieu nutritif et un dispositif de mise en forme d'un signal proportionnel audit rapport. L'entrée du dispositif logique peut titre avantageusement raccordée au canal d'alimentation en gaz, afin de mesurer la concentration du gaz dissous dans le milieu de culture liquide du réacteur, ce canal d'alimentation étant raccordé par son entrée à ce dernier et comportant couplés en 3érie un capteur de concentration du gaz dissous, un amplificateur du signal électrique proportionnel à la concentration du gagdissous, et un dispositif de mise en forme du signal électrique. Ceci permet d'accroître l'intensité de déroulement de la biosynthèse industrielle et, par conséquent, le rendement des installations industrielles de biosynthèse, par exemple des produits concentrés riches en protéines et vitamines avec une dépense minimale de matières premières ainsi que de réaliser la synthèse orientée des ferments, des hormones, des acides aminés et des produits biologiquement actifs. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la Fig. 1 représente un schéma synoptique du dispositif de commande automatique du processus de biosynthèse, selon l'invention; la Fig. 2 montre un schéma synoptique du dispositif logique selon l'invention; la Fig. 3 montre une variante possible de réalisation du canal intégrateur électro-optique, selon l'invention; la Fig. 4 est un schéma du canal int8grateus selon l'invention, pour mesurer le rapport quantitatif entre la végétation et la composante principale du milieu nutritif; la Fig. 5 montre le schéma du capteur du volume d'une cellule individuelle. Le dispositif de commande automatique du processus de biosynthèse de micro-organismes dans le réacteur 1 (Fig.l) comporte un canal 2 prévu pour obtenir l'information courante concernant les volumes des cellules individuelles des microorganismes contenus dans le réacteur, et un dispositif logique 3 relié à ce canal. Le canal 2 comporte couplés en série un doseur 4 dans lequel les prises d'essai du contenu du réacteur sont diluées, un capteur 5 du volume des cellules individuelles, un amplificateur 6, un bloc d'adaptation 7 et un dispositif de mise en forme 8 de signaux électriques proportionnels aux volumes des cellules individuelles. Le dispositif logique 3 est'prévu pour transformer l'information courante provenant du canal 2 en paramètres de reparti- tion statistique des cellules d'après leurs volumes et pour la comparaison de ces paramètres avec les paramètres assignés. Le dispositif logique 3 débite une série de commandes aux mécanismes opérateurs 9 selon l'information d'entrée sur l'allure du processus de biosynthèse en vue de la corriger. Le dispositif logique comporte un convertisseur (Fig. 2) analogique-numérique 10 comportant quatre entrées d'information et relié à un dispositif de mémoire de travail 11, qui est raccord à un bloc de mise en forme 12 des signaux de l'information courante. Ce dernier est raccordé à un bloc 13 d'analyse correlative raccordé à son tour à un bloc 14 des signaux d'information de référence et à un bloc 15 d'analyse de l'information obtenue, ce dernier étant réalisé sous la forme d'un dispositif arythmétique et raccordé à un bloc 16 de sortie des données. Le bloc 16 est relié à un géntrateur 17 des commandes. Les blocs 10, 12, 13, 14, 15 et 16 et le dispositif 11 sont raccordés à un bloc 18 de commande qui débite l'algorythme principal du fonctionnement du dispositif logique, ces blocs pouvant être réalisés d'une façon connue. Comme dispositif logique, on peut utiliser une calculatrice numérique universelle. Le dispositif comporte un canal intégrateur électro-optique 19 (Fig.l) pour mesurer la concentration des cytochromes dans les cellules microbiennes contenues dans le réacteur 1. Le canal 19 est raccordé au dispositif logique 3 et comporte couplés en série un appareil de mesure 20 de la concentration des cytochromes, un bloc comparateur 21, un amplificateur 22 des signaux électriques proportionnels à la concentration des cytochromes, et un dispositif de mise en forme 23. 'appareil de mesure 20 de concentration des cytochromes comporte une chambre de travail 24 (Fig. 3) communiquant avec le réacteur 1 au moyen d'un tube 25. Sa partie de mesure est constituée par une source de lumière monochromatique 26 stabilisée en intensité, délivrant deux faisceaux lumineux égaux dans deux canaux optiques parallèles, dont l'un sert à la mesure et l'autre comme référence, un système de lentilles direc triceps, 27, 28 et 29 et des filtres optiques 30 et 31. Le bloc comparateur comporte deux capteurs photoélectriques 32 et 33, par exemple des photorésistances insérées dans les bras adjacents d'un montage en pont, dont les autres bras sont constitués par des résistances 34 et 35. Un canal intégrateur 36 également raccordé à l'entrée du dispositif logique 3 (Fig. 1) sert à la mesure du rapport quantitatif entre la végétation et la composante principale du milieu nutritif, par exemple des paraffines de pétrole. Ce canal comporte un capteur 37 de la quantité de végétation et de la composante principale du milieu nutritif et un amplificateur 38 du signal électrique qui lui est appliqué. A la sortie de cet amplificateur est raccordé un bloc 39 qui permet de déterminer le rapport entre la quantité de végétation et la composante principale du milieu nutritif. A la sortie de ce dernier est raccordé un dispositif de mise en forme 40 relié au dispositif logique 3. Le fonctionnement du canal intégrateur 36 est basé sur la mesure de la grandeur de la constante diélectrique, proportionnelle à la concentration des cellules microbiennes et à celle des paraffines de pétrole. Un exemple de réalisation du canal est représenté sur la Fig. 4. La constante diélectrique de la végétation et des paraffines de pétrole est mesurée en agissant sur le bouillon de culture au moyen d'un champ électrique à fréquence alternative créé par un générateur 41 d'oscillations électriques périodiques, raccordé à des électrodes 42 qui sont immergées dans le bouillon de culture passant à travers une chambre de travail 43. La constante diélectrique de la paraffine ne varie pratiquement pas dans la gamme de fréquences dans laquelle la constante diélectrique des cellules microbiennes varie dans de larges limites. La constante diélectrique du milieu de culture est mesuré à deux fréquenees6Jl etlr) du champ électrique, par exemple 2 égales à plusieurs dizaines et plusieurs milliers de kilohertz. Les électrodes 42 et 42' sont insérées dans des montages de mesure en pont 44 et 45, qui sont alimentEs à différentes fréquences par le générateur 41, la diagonale de mesure de chacun d'entre eux étant branchée à l'entrée de l'amplificateur 38 du bloc 39 prévu pour déterminer les rapports, et du dispositif de mise en forme 40 couplés en série, qui sont réalisds de façon connue. Dana le bloc 39 de détermination du rapport est réalisé le traitement logique du signal provenant des capteurs pour déterminer la valeur absolue de la teneur en paraffine du bouillon de culture et pour déterminer sa teneur en pour cent par rapport à la quantité de végétation contenue dans ce même milieu. Le dispositif comprend en outre un canal 46 (Fig.l) d'alimentation en gaz, qui transmet l'information concernant la teneur courante du milieu de culture en gaz dissous et comporte un capteur 47 de concentration du gaz dissous, par exemple 22 C02 ou H2, un amplificateur 48 et un dispositif de mise en forme 49 d'un signal électrique proportionnel à la concentration du gaz dissous. Le dispositif fonctionne de la manière suivante. Le processus de biosynthèse dans le réacteur 1 est en rapport intime avec l'état physiologique de la végétation cultivée. Pour enregistrer l'étant physiologique des cellules quand on utilise le canal 2 pour obtenir une information courante concernant le volume des cellules individuelles, on prélève du milieu de culture une suspension de cellules qu'on soumet à l'analyse. Ce prélèvement est réalisé de façon discrète. En réponse à une commande déterminée par un dispositif de temporisation (non représentée sur le dessin),la suspension remplit le volume assigné du doseur. Simultanément, un autre volume du doseur 4 est rempli par la solution diluante, dont la pression osmotique est égale à celle des cellules de la culture, par exemple de l'eau distillée additionnée de certains sels. Ensuite, les volumes dosés du milieu de culture et de la solution diluante sont mélangés. De la façon indiquée, un peut réaliser une dilution à une, deux ou plusieurs étapes de la suspension de cellules. le degré de dilution détermine la précision de la répartition statistique des cellules individuelles selon leur volume obtenue ultérieurement et est assignée suivant la nature des cellules de la culture utilisée et le régime technologique de l'incubation. La solution obtenue par dilution arrive au capteur 5 de volume des cellules individuelles qui est constitué par un capteur de mesure de la conductibilité d'un type connu. Dans le volume de travail du capteur se trouve un diaphragme 50 (Fig. 5) en un matériau diélectrique comportant une ouverture 51 pour le passage de la solution contenant les cellules. les électrodes 52 disposées des deux côtés de l'ouverture 1 créent un champ électrique dans la zone de cette ouverture. Lorsque les cellules passent à travers l'ouverture 51, l'intensité du courant dans le circuit électrique du capteur est modifiée et une impulsion de tension apparaît à sa sortie dont l'amplitude permet de connaître le volume de la cellule. L'impulsion est amplifiée par l'amplificateur 6 et attaque à travers le dispositif d'adaptation 7 l'entrée du dispositif de mise en forme 8 de signaux électriques proportionnels au volume de la cellule, dispositif réalisant la transforuation de la forme de l'impulsion. Le signal de sortie du dispositif de mise en foniie attaque le dispositif logique 3. Le canal intégrateur électro-optinue 19 utilisé dans le dispositif pour mesurer la concentration des eytochromes dans les cellules microbiennes et enregistrer la modification de la densité optique du milieu de culture en fonction de la concentration des cytochromes, fonctionne de la manière suivante. Une pompe de circulation (non représentée sur le destin) fait passer à travers la chambre de travail 24 de l'appareil de mesure de concentration des cytochromes, une suspension de cellules dans le milieu de culture, qui arrive d reer I rr la cor.- duite 25. Une couche du milieu de culture d'épaisseur assignée est frappée dans la chambre de travail 24 de Llai,pareil de *- sure par la partie du flux lumineux provenant de la source 26 qui passe par la lentille 28.L'intensité du flux lumineux ayant traversée e la couche est modifiée en fone-ion de la con- centration des cytochromes et le flux arrivent au capteur photoélectrique 32 inséré dans un montage en pont. Le flux lumineux passant par le canal de référence traverse la lentille 29 et le filtre neutre 31 dont la densité optique est celle que doit avoir le bouillon de culture de la concentration voulue, et arrive à l'autre capteur photoélectrique 33 inséré dans le montage en pont.Le montage en pont accrott la sensibilité du canal 19 grssce à la compensation de la composante constante de la densité optique dans la chambre de travail 24, de l'instabilité de la source 26 du flux lumineux et de la fluctuation de la tension d'alimentation des capteurs photoélectrique s 32 et 33. La variation du signal électrique à sa sortie correspond à la variation de concentration des cytochromes dans les cellules microbiennes. Le signal électrique obtenu à la sortie du canal 19 est amplifié par l'amplificateur 22 des signaux électriques et attaque l'entrée du dispositif de mise en forme 23 qui réalise la transfornation de la forme de l'impulsion. Ladite information attaque également l'entrée du dispositif logique 3. Ainsi, dans le dispositif logique 3 arrive l'inforTaation provenant de tous les canaux sous forme d'impulsions avec une amplitude correspondant à la valeur mesurée. Dans le convertisseur analogique-numéricwue, l'information d'entrée est transformée en une séquence d'impulsions de code, dont le nombre selon chaque entrée est proportionnel à l'amplitude de l'impulsion d'entrée. Cette séquence attaque le dispositif de mémoire de travail, d'où elle est envoyée au bloc 12 de forTnation des signaux d'information courante débitée selon les commandes provenant du bloc 18.Les signaux prélevés à la sortie du bloc 12 sont acheminés vers le bloc 13 d'analyse corrélative, auquel arrivent simultanément les signaux des valeurs de référence provenant du bloc 14 des signaux d'information de référence. Dans le bloc 13 d'analyse corréla ive, qui se présente sous la forme d'un dispositif arithniétilue numérique, sont calculées les valeurs des coefficient de corrélation de l'information d'entrée qui sont transmises au bloc 15 d'analyse de l'information obtenue dans lequel est déterminé à chaque moment l'état du processus de biosynthèse. Les signaux transportant l'information concernant chacun des paramètres de commande attaauent le bloc 16 de sortie des données, qui est accouplé au dispositif de mise en forme 17 des commandes. Dans ce derniers est formé l'ensemble des commandes des informations correspondantes attaquant l'entrée du dispositif logique 3. Ces commandes permettent de commander les mécanismes opérateurs 9 (Fig. 1) d'admission des substances nutritives dans le réacteur 1 à partir du réservoir 53 à travers un mélangeur 54, ainsi qu'une vanne 55. EEVENDICATIONS 1. - Dispositif de commande automatique du processus de biosynthèse de micro-organismes dans un réacteur de culture caractérisé en ce qu'il comporte un canal (2) pour obtenir une information courante concernant les volumes des cellules individuelles des micro-organismes contenus dans le réacteur (1) et, un dispositif logique (3) relié audit canal (2) et raccordé aux mécanismes opérateurs (9) d'introduction des substances nutritives dans le réacteur, ce dispositif logique transformant l'information courante du canal en paramètres de répartition statistique dea cellules individuelles d'après leur volume et comparant ces paramètres avec les paramètres assignés, ledit canal pour obtenir l'information courante comprenant reliés en série un doseur (4), dans lequel est diluée la prise d'essai du contenu du réacteur (1), un capteur (5) de volume des cellules individuelles, un amplificateur (6) et un dispositif de mise en forme (8) de signaux électriques proportionnels au volumes des cellules individuelles. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'd l'entrée du dispositif logique (3) est raccordée un ca nal électro-optique intégrateur (19) pour mesurer la concentration des cytochromes dans les cellules microbiennes contenues dans le réacteur (1), ce canal (19) étant raccordé par son entrée à ce dernier et comportant un appareil de mesure (20) de concentration des cytochromes, un bloc comparateur (21), un amplificateur (22) des signaux électriques proportionnels à la concentration des cytochromes et un dispositif de mise en forme (23) de ces signaux. 3. - Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'à l'entrée du dispositif logique (3) est raccordé un canal intégrateur (36) pour mesurer le rapport quantitatif entre la végétation et la composante principale du milieu nutritif contenu dans le réacteur, par exemple des paraffines de pétrole, ce canal intégrateur étant raccordé à ce dernier et comportant couplés en série un capteur (37) de la quantité de végétation et de la composante principale du milieu nutritif, un amplificateur 38 du signal électrique, un bloc (39) pour déterminer le rapport quantitatif entre la quantité de végétation et la composante principale du milieu nutritii et un dispositif de mise en forme (40) du signal proportion nel audit rapport. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendictions 1, 2 et 3 caractérisé en ce que l'entrée du dispositif logique (3) est raccordée à un canal (46) d'alimentation en gaz pour la mesure de la concentration du gaz dissous dans le bouillon de culture contenue dans le réacteur (1), ce canal (46) étant raccordé par son entrée à ce dernier et comportant branchés en série un capteur (47) de la concentration du gaz dissous, un amplificateur (48) du signal électrique proportionnel à la concentration du gaz dissous et un dispositif de mise en forme (49) de ce signal.