Поиск оптимальных условий непосредственно в процессе выращивания микроорганизмов

Главной задачей управления процессом ферментации является поддержание некоторого целевого параметра на оптимальном (минимальном или максимальном) значении. В связи с этим очевидным подходом к управлению процессом является использование поисковых методов.

Задача поисковых методов состоит в том, чтобы путем варьирования управляющих воздействий и изучения реакции объекта на введенные изменения найти оптимальное соотношение величин управляющих воздействий, при котором параметр оптимизации принимает наилучшее значение.

Обычно в качестве режимного параметра оптимизации используют технологический параметр, связанный с критерием эффективности процесса (например, производительность по биомассе или выход по редуцирующим веществам), хотя иногда предлагается использовать малоинерционные показатели – интенсивность дыхания, скорость закисления;
алгоритм управления довольно часто используют в непрерывных процессах, варьируя температуру, рН, скорость разбавления или скорости подачи различных субстратов.

Время переходных процессов, по-видимому, является ахиллесовой пятой поисковых методов оптимизации на объекте, так как свойства культуры изменяются со временем, поэтому продолжается поиск более «быстрых» параметров, реагирующих на управляющие воздействия так же, как и интересующий исследователя экономический параметр оптимизации.

Управление режимом аэрации – перемешивания по алгоритму максимального дыхания.
Оперативный параметр управления:
- интенсивность дыхания (Qo2 или Qco2), быстро реагирующая на изменения условий аэрации;
- перемешивания (время переходного процесса не превышает 30 мин).

Целесообразно управлять режимом аэрации – перемешиванием, ориентируясь не на поддержание заданной величины интенсивности дыхания, а используя принцип экспериментального регулирования, т.е. выбирая в каждый момент времени такие значения режимных параметров, при которых величина интенсивности дыхания максимальна.

Применение поискового алгоритма управления по интенсивности дыхания возможно не для любых управляющих воздействий
(на рисунке - зависимость интенсивности дыхания продуцента окситетрациклина от скорости вращения мешалки для различных периодов ферментации в 100-литровом ферментере).

Определение режима аэрации и перемешивания в ходе процесса ферментации:
определяли зависимость скорости потребления кислорода Qo2 от числа оборотов мешалки при постоянном расходе воздуха и от расхода воздуха при постоянной скорости вращения мешалки;
при скачкообразном изменении скорости вращения мешалки или расхода воздуха новая установившаяся скорость потребления кислорода достигалась через 15 – 20 мин.;
по результатам эксперимента определяли критическое число оборотов мешалки nкр и критические расходы воздуха qкр.

Алгоритм управления проверяли на процессах биосинтеза окситетрациклина и олеандомицина.
Используя описанный алгоритм, получали ступенчатый режим аэрации и перемешивания.

Максимальное число оборотов мешалки при биосинтезе окситетрациклина в опытных аппаратах (300 – 350 об/мин) совпадало с выбранным по методу «перебора» оптимальным для постоянного режима. Однако показано, что значительную часть времени процесс можно проводить при менее интенсивном перемешивании (200 – 250 об/мин). Расход воздуха в широком диапазоне его изменения не оказывал влияния на скорость потребления кислорода. В результате экспериментов установлено, что снижение расхода воздуха в 2 раза или более по сравнению с регламентным (с 50 до 25 – 15 л/мин) не влияет на выход окситетрациклина. Применение ступенчатого режима перемешивания и снижение расхода воздуха на аэрацию позволяют существенно снизить энергозатраты.

Таблица - сравнение результатов осуществления процесса биосинтеза окситетрациклина (I) и олеандомицина (II) при постоянном и ступенчатом режимах аэрации – перемешивания

Управление добавками конкордантных субстратов по максимальному дыханию
(на рисунке - варианты зависимости интенсивности дыхания культуры в тест-колбах от количества добавленного субстрата)

Таблица - выбор оптимальных доз глюкозы и аммонийного азота для добавок в процессе биосинтеза тетрациклина