Ферментатор

Представлен проект системы управления ферментатором. Ферментатор — прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза. Применяется в биологическойпромышленности при производстве лекарственных и ветеринарных препаратов, вакцин, продуктов пищевой промышленности (ферменты,пищевые добавки,глюкозныесиропы), а также прибиоконверсиикрахмалаи производствеполисахаридов и др.

Ключевые слова: ферментатор, биосинтез, биореатор, культивирование, микроорганизмы, анаэробные бактерии.

Представлен эскизный проект ферментатора периодического действия для анаэробных бактерий объемом 300 литров. Управление системами ферментатора может осуществляться вручную при помощи клавиатуры, вынесенной на переднюю панель управления, при этом клавиши подсвечиваются светодиодами при включении данной функции, а также ферементатор может работать в автоматическом режиме при загрузке соответствующей программы с персонального компьютера через блок интерфейса.

Сырье для процесса ферментации подается в жидком состоянии по специальному каналу загрузки сырья. Для равномерной ферментации предусмотрена функция перемешивания. Существует функция подачи стерильного воздуха. Для этого рядом с ферментатором присутствует отдельная камера, в которой при помощи воздушного насоса стерильный воздух нагнетается под давлением. При необходимости отработанный воздух может выводится в атмосферу из внутреннего объема ферментатора. Если в ходе ферментации возникла необходимость загрузки различных добавок или пеногасителя то такая функция предусмотрена конструкцией устройства. Уровень сырья в ферментаторе контролируется лазерным датчиком уровня. Для регулирования температуры в устройстве присутствуют электрический обогреватель и фреоновый холодильник. Если технологическим процессом предусмотрена подача пара, то рядом с ферментатором присутствует камера парообразования со своим электрическим нагревателем. В ферментатор пар подается при открытии специального клапана. Также специальный канал со своим клапаном предусмотрен для выдачи готовых продуктов. Имеется канал для спуска отходов в канализацию.

Для подготовки следующего технологического процесса предусмотрен канал подачи моющего раствора с соответствующим клапаном. Система контролирует различные параметры (температура, давление) в самом ферментаторе, в камере сжатия воздуха, парообразователе.

Система анализирует аварийные ситуации. Под аварийными ситуациями понимается не вращение или медленное вращение соответствующих двигателей в устройстве, а также отсутствие реакции на нагрев, подачу пара или охлаждение. В этом случае информация выставляется на дисплей и передается через блок интерфейса в персональный компьютер.

На рис. 1 представлена структурная схема устройства.

Блоки системы:

        ДП — двигатель перемешивания;

        СУДП — схема управления двигателем перемешивания;

        ДВДП — датчик вращения двигателя перемешивания;

        КЗС — клапан загрузки сырья;

        СУКЗС — схема управления клапаном загрузки сырья;

        КПСВ — клапан подачи стерильного воздуха;

        СУКПСВ — схема управления клапаном подачи стерильного воздуха;

        ВН — воздушный насос;

        ДВВН — датчик вращения воздушного насоса;

        ДДВ — датчик давления воздуха в камере сжатия;

        КОВ — клапан отработанного воздуха;

        СУКОВ — схема управления клапаном отработанного воздуха;

        КЗД — клапан загрузки добавок;

        СУКЗД — схема управления клапаном загрузки добавок;

        КВП — клапан введения пеногасителя;

        СУКВП — схема управления клапаном введения пеногасителя;

        ДУ — лазерный датчик уровня;

        КВПр — клапан введения пара;

        КВПд — клапан выдачи продукта;

        СУКВПд — схема управления клапаном выдачи продукта;

        КСК — клапан спуска в канализацию;

        СУКСК — схема управления клапаном спуска в канализацию;

        РН — реле нагревателя;

        СУРН — схема управления реле нагревателя;

        РХ — реле холодильника;

        СУРХ — схема управления реле холодильника;

        РП — реле парообразователя;

        СУРП — схема управления реле парообразователя;

        Х — холодильник;

        П — парообразователь;

        ДДП — датчик давления пара в паробразователе;

        КПМР — клапан подачи моющего раствора;

        СУКПМР — схема управления клапаном подачи моющего раствора;

        БИ — блок интерфейса;

        ДТФ — датчик температуры в ферментаторе;

        Кл — клавиатура;

        СД — светодиоды;

        ДДФ — датчик давления в ферментаторе;

На рис. 2 представлена функциональная схема устройства.

Рис. 2 Функциональная схема устройства

Некоторые блоки функциональной схемы совпадают с блоками структурной схемы. Перечислим ниже дополнительные обозначения:

        ТУ — токовый усилитель;

        Р — реле;

        РК — разрядный конденсатор;

        ФЦ — формирующая цепь;

        СП — супервизор питания;

        БФ — буфер;

        AVR — микроконтроллер.

Схема построена по радиальному принципу и работает следующим образом. Центральным управляющим звеном устройства является микроконтроллер. Для управления двигателями на соответствующий порт микроконтроллера выдается логический сигнал, который усиливается токовым усилителем и поступает на управляющее реле. При этом производится контроль вращения двигателей. На вал двигателя насажен диск с выступающими зубьями, которые замыкают конечный контактор. Через этот контактор разряжается конденсатор, подключенный к питающему напряжению. Напряжение конденсатора пройдя через формирующую цепь поступает на порт микроконтроллера. Если порт воспринимает логический ноль, то двигатель вращается. Иначе микроконтроллер воспринимает двигатель как не вращающий или медленно вращающийся (конденсатор не успевает разрядиться).

Управление соответствующими клапанами электромагнитного типа также осуществляется микроконтроллером посредством соответствующих портов при выдачи управляющей логической единицы. Данный сигнал усиливается токовым усилителем и поступает на реле подключения блоков к питающему напряжению.

Датчик уровня имеет аналоговый выход и напрямую подключен к внутреннему АЦП микроконтроллера. Датчик температуры ферментатора работает по протоколу 1-Wire. Датчики давления обмениваются информацией по протоколу I2C. Для расширения функции портов микроконтроллера в схему введены регистры-защелки для блоков, получающих информацию. Буферные элементы подключают клавиатуру к микроконтроллеру для обслуживания. Управление жидкокристалическим дисплеем ведется напрямую через информационный порт PD. Связь с персональным компьютером введется по интерфейсу USB (используется преобразователь интерфейсов UART-USB).

Литература:

1. Хиггинс, И. Биотехнология. Принципы и применение / И. Хиггинс, Д. Бест, Дж. Джонс — М.: Мир, 1988. — 480 с.
2. Варфоломеев, С.Д., Панцхава, Е. С. Биотехнология преобразования солнечной энергии. Современное состояние, проблемы, перспективы/ С. Д. Варфоломеев, Е. С. Панцхава — М.: Наука, 1984. — 375 с.
3. Рычков, Р.С., Попов, В. Г. Биотехнология перспективы развития/ Р. С. Рычков, В. Г. Попов Биотехнология. — М.: Наука, 1984. — 295 с.
4. Энрин, Н. В. Биотехнические системы/ Н. В. Энрин — М.: Мир, 2004–280 с.
5. Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «ATMEL»/ А. В. Евстифеев — М.: Додэка-XXI, 2007. — 350 с.
6. Голубцов, М. С. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному — М.: Солон-Пресс, 2003. — 320 с.