Система управления поддержания рН в процессах фементолиза растительного сырья

БИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 681.3:681.513.2

А. С. Понкратов, Р. М. Нуртдинов

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДДЕРЖАНИЯ рН В ПРОЦЕССАХ ФЕМЕНТОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Ключевые слова: моделирование, система управления, процессы ферментолиза, SCADA-система.

Разработана система управления процессом ферментолиза растительного сырья, позволяющая управлять процессом как в ручном режиме, так и в автоматическом, задавая параметры протекания процесса с помощью управляющей программы. Подтверждена работоспособность системы регулирования рН при введении разбавленного раствора титрующего агента.

Keywords: modeling, control systems, processes fermentoliz, SCADA-system.

A system for managing fermentoliza plant material, which allows to manage the process in manual mode and automatic by setting the parameters of the process by means of the control program. Confirmed the efficiency ofpH regulation with the introduction of a dilute solution of titrating agent.

Эффективное проведение биотехнологических процессов тесно связано с совершенствованием способов контроля и управления. Для реализации управляемого культивирования необходимо построение алгоритмов управления, основанных на моделях биотехнологического процесса. В современных биотехнологических процессах необходимо регистрировать и анализировать множество быстроизменяющихся факторов (концентрацию субстрата, биомассы и продукта в культуре, рН, температуру, парциальное давление кислорода и др.) [1].

В работе рассматриваются вопросы разработки системы управления процесса ферментолиза растительного сырья [2-3], позволяющей управлять процессом как в ручном режиме, так и в автоматическом, задавая параметры протекания процесса с помощью управляющей программы. Основной задачей автоматизированной системы управления (АСУ) лабораторными биореакторами является интеллектуальное поддержание параметров среды на заданном уровне для обеспечения условий, необходимых для жизнедеятельности и развития микроорганизмов.

Рассмотрим влияние рН на скорость ферментативных реакций [4]. Активность ферментов зависит от рН раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует значение рН, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит к понижению ферментативной активности. Изменение рН среды приводит к изменению степени ионизации кислотных и основных групп как активного центра фермента, так и самого субстрата. Следовательно, изменение рН влияет на сродство субстрата к активному центру фермента и на каталитический механизм реакции. Обычно зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды имеет колоколообразную форму (рис. 1), поскольку для каждого фермента существует свое оптимальное значение рН, при котором фермент проявляет наибольшую каталитическую активность (оптимум рН фермента). Значение рН в оптимуме отвечает наилучшему связыванию субстрата ферментом и наибольшей скорости катализа.

Система управления разработана для процессов ферментолиза измельченных растительных (целлюлозо- и крахмалсодержащих) материалов ферментными препаратами. Для исследований применялись следующие ферменты компании Genencor: PS AO3143-1.1EN Optiflow RC 2.0 (рН 4,6-5,0); PS AO3197-1.OEN Acellerase CB100 (рН 4,6-5,0); PS AO3329-

1.ОБК ОС 440 (рН 4,9-5,3). Процессы ферментолиза проводили в лабораторном ферментализере (рис. 2) объемом 6 л в течении 8-10 часов в соответствии с характеристикой применяемых ферментных препаратов при поддержании активной кислотности в диапазоне 4,6-5,3 ед рН и температуре 490С.

Рис. 1 - Зависимость скорости ферментативной реакции от рН среды

Рис. 2 - Общий вид лабораторного ферментолизера

Результаты процессов ферментолиза соломы и бумаги в ферментолизере ферментным препаратом РБ ЛО3197-1.ОБМ ЛееПегаБе СВ100 представлены на рисунке 3.

Аналогично проводились процессы с использованием ферментных препаратов РБ ЛО3143-1.1БК ОрйАо^т ЯС2.0 и РБ ЛО3329-1.ОБК ОС 440.

В работе применялись следующие приборы и средства измерения:

- Анион-7050.Комбинированный прибор имеющий в своем составе 18 ионометрических каналов и кислородомер с функцией БПК - тестера. Диапазон измерения: 1) pH от 0 до 14 ед. pH; 2) растворенного кислорода от 0 до 20 мг О2/дм3; 3) температуры от 0 до

100°С. Предел допускаемой основной абсолютной погрешности измерения: 1) рН±0,02 мг/дм3; 2) концентрации растворенного кислорода ±0,2 мг/дм3; 3) температуры ± 0,3. Тип интерфейса ЯБ - 232.

- Датчик pH серии 1пРго3253. Диапазон измерения от 0 до 12 ед. pH. Дискретность 0,01

ед. pH.

Рис. 3 - Динамика концентрации редуцирующих веществ при разных концентрациях фермента Р8 AO3197-1.OEN АсеНегаве СВ100: а) - солома, б) - бумага

В задачи разработки системы входило:

- подача титрантов в ручном и автоматическом режиме;

- подбор констант и настройка регуляторов;

- разработка интерфейса управляющей программы;

- разработка протокола ведения процесса и архивация полученных результатов.

Для программной реализации управления процессом ферментолиза выбран пакет

GENIE 3.04, разработанный фирмой Advantech [5], который является инструментальным средством для создания программного обеспечения сбора данных и оперативного диспетчерского управления (SCADA) .

Драйверы ввода/вывода, входящие в комплект поставки GENIE, обеспечивают поддержку всех аппаратных средств промышленной автоматизации фирмы Advantech, включая модули сбора данных и управления. Перечень подключенных устройств создаваемой системы (табл. 1), отображается в окне устройств ввода/вывода.

Таблица 1 - Описание подключенных устройств

ADAM Адрес Канал Описание

4050 5 5 Узел дозирования титранта

6 Узел дозирования титранта

4018 8 1 Текущее значение рН

Основным параметром, управление которым осуществляется в ручном и автоматическом режиме, является уровень pH среды. Основной задачей системы управления является поддержание значения pH на определенном заранее установленном значении, называемом уставкой pH. Для настройки насосов используется понятие дозы, которое включает в себя время дозирования и паузу после дозирования. Таким образом оператор-технолог может устанавливать не только продолжительность дозирования в процентном соотношении, но и точность работы того или иного насоса (режим работы). Например, дозирование может быть установлено «10 сек. через 50 сек» или «1 сек через 5 сек». Очевидно, что в процентном соотношении и в том и в другом случае время работы насоса будет одинаковым, но если в первом случае насос подает большие порции через большие промежутки времени («периодический» режим), то во втором - маленькие дозы через маленькие промежутки времени («импульсный» режим).

Разработанная система автоматического управления и сбора информации осуществляет управление всеми материальными потоками. Управление осуществляется в ручном и автоматическом режимах. Общий вид интерфейса программы представлен на рисунке 4.

Jun 07 10:13:36

ФЕРМЕНТОЛИЗ

Ручное упрап. leinie »

Текущее Щ 0.0000

ЦЛвтоматика - ON/OFF »

Уставка И-85 Т

Порог |0Л5 К |~Автоматик*я - ГП1Д »

График pH

• Н1 н в.

О |_______Ручное управление pH_________|

Текущее 0.0000 в нормг

ДОТИРОВАНИЕ Уставка 0.00 Верхний предел 0.000

Порог 0.000 Нижний предел 0.000

Кислота

Дсп* пкмги 0 081 I

( ) Подача кислоты [

Пргмя подачи 0.0

Счичт aoi 0

Кол во кислоты 0.000

Щелочь

ДО!» щелочи |0.081 Л (_) Подача щг;юаш

Према подачи 0.0

Счетчик ДО? 0

Кол-во щелочи 0.000

Выход

Рис. 4 - Общий вид интерфейса программы

В ручном режиме задействованы только контрольно-измерительные алгоритмы и блокировки

оборудования при возникновении аварийных ситуаций. В автоматическом режиме поддержание рН выполняется автоматически с использованием закона двухпозиционного (On/Off) регулирования. Алгоритм двухпозиционного регулирования состоит в том, что управляемый объект переводится регулятором в одно из двух состояний (включен или выключен) в зависимости от соотношения между измеряемым значением сигнала обратной связи, уставкой и порогами включения/выключения.

Программа работает в режиме аварийной сигнализации, как в ручном так и в автоматическом режиме.. Программа работает в трех режимах: в норме, выше нормы, ниже нормы. Если текущее значение pH выше верхнего предела, то автоматически включается подача кислоты на заданное время (рис. 5). В ручном режиме подача кислоты и щелочи осуществляется при нажатии соответствующих кнопок «Подача кислоты» и «Подача щелочи».

Рис. 5 - Интерфейс программы в режиме аварийного управления

В программе ведется протокол дозирования титрантов: время подачи, счетчик доз подачи (количество поданных доз) и рассчитывается общее количество поданного титранта в граммах и протокол ед. рН. Добавление фермента осуществляется по достижению заданного значения рН.

Подача

1 р

1 101 201 301 401 501 601 701 301 901 1001 1101 1201 1301

время, сек

Рис. б - Изменение pH в процессе ферментолиза

66

Заключение

Разработана компьютерная система управления для оснащения технологического персонала современными средствами проведения экспериментальных исследований в области процессов ферментолиза растительного сырья, а именно, обеспечение возможности управления процессом ферментолиза с количественной оценкой параметров процесса. Программное обеспечение, реализованное в SCAD A-системе GENIE 3.04 позволяет поддерживать заданное значение рН.

Внедрение АСУ позволяет осуществить рациональное управление процессом биосинтеза. В результате этого экономятся исходное сырье, электроэнергия, вода, повышается продуктивность процесса и производительность труда обслуживающего персонала. Затраты на создание и внедрение АСУ в биотехнологии, как показывает практика, окупаются сравнительно быстро, в течение 3-4 лет.

Литература

1. Волова, Т.Г. Введение в биотехнологию. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Т. Г. Волова. - Электрон. дан. (2 Мб). - Красноярск : ИПК СФУ, 2008. - (Введение в биотехнологию : УМКД № 143-2007 / рук. творч. коллектива Т. Г. Волова).

2. Нуртдинов, Р.М. Кинетика ферментативного гидролиза растительного сырья / Р.М. Нуртдинов и [др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 14. - С. 211-215.

3. Емельянов, В.М. Совершенствование микробиологических технологий на основе специализированных систем автоматизации научных исследований / В.М. Емельянов, С.Г. Мухачев, А.С. Сироткин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 105-119.

4. Варфоломеев, С. Д. Биокинетика. Практический курс / С.Д. Варфоломеев, К.Г. Гуревич. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 1999. - 720 с.

5. Advantech GENIE Basic Script Programmer’s Reference. Copyright © Advantech Co., Ltd.

© А. С. Понкратов - асп. каф. химической кибернетики КНИТУ, aponkratov24@gmail.com; Р. М. Нуртдинов - асп. той же кафедры.