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System zur Steuerung der Kultivierung von
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Mikroorganismen Die Erfindung betrifft Systeme zur Steuerung technologischer
Prozesse und insbesondere Systeme zur Steuerung der Züchtung von Mikroorganismen.
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Das erfindungsgemäße System eignet sich insbesondere zur Anwendung
in der technischen Mikrobiologie, beispielsweise zur Herstellung eiweiß-und vitaminhaltiger
Konzentrate, Enzyme, Antibiotika udgl, dh für Produktionsprozesse, bei denen Mikroorganismen
gezüchtet werden.
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Es sind bereits mehrere Systeme zur Steuerung von Fermentationsprozessen
bekannt. Hierzu gehört
ein System zur Regelung der Komponentenzufuhr,
bei dem die Zufuhr der Komponenten lediglich in Abhängigkeit von der Wärmeentwicklung
geregelt wird. Ein anderes bekanntes System weist eine Logikeinrichtung auf, die
mit dem Ausgang einer Einheit zur Bestimmung des Atmungsquotienten sowie mit Gebern
zur Überwachung der gelösten Sauerstoffmenge und einem Stellglied verbunden ist.
Auch bei einigen anderen bekannten Systemen wird der Prozeß aufgrund von Geberdaten
über die Änderung der gelösten Sauerstoffmenge geregelt.
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Es ist ferner ein System bekannt, bei dem die zur Prozeßüberwachung
eingesetzten Geber über eine Logikeinrichtung mit einem Steuersignalgeber verbunden
sind, dessen Ausgänge an Stellglieder angeschlossen sind, die zur Regelung der Komponentenzufuhr
zu einem Fermenter dienen.
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Dieses System weist elektrische Geber auf, deren Signale den Volumina
einzelner Zellen der Mikroorganismen proportional sind. Ferner werden bei diesem
System ein elektrischer Durchlässigkeitsgeber mit einem zweipoligen elektrischen
Schwingungsgenerator zur Erzeugung einer Information über die Menge der Biomasse
und der Hauptkomponente des Rohmaterials, ein Geber zur Erfassung der gelösten Gasmenge
sowie ein optischer Geber in einem turbidostatischen Dichteregelungskanal verwendet..
Bei diesem System werden nicht alle bekannten Geber zur Überwachung von Kennwerten
des Fermentationsvorgangs angewandt, auch werden keine Daten der chemischen und
mikrobiologischen Analyse der gezüchteten Kultur im System benutzt.
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Bei allen bekannten Systemen werden die Gebersignale ferner zur Stabilisierung
der Prozeßparameter oder zu ihrer Änderung aufgrund eines mathematischen NäherungsmodeLls
verwendet. Die Steuerung der Züchtung von Mikroorganismen ist jedoch so kompliziert,
daß sie derzeit mit Hilfe mathematischer Modelle nicht vollständig beschrieben werden
kann, weshalb mathematische Modelle keine weitgehende Anwendung finden.
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Ein weiteres bekanntes System zur Kontrolle und Regelung der wichtigsten
Prozeßparameter bei der Herstellung von Eiweiß-Vitamin-Konzentraten mit kohlenwasserstoffoxierenden
Hefen beruht ebenfalls auf dem bekannten Verfahren der Parameterstabilisierung auf
einem vorgegebenen Niveau (vgl A.A. Krassovski, Grundlagen der Automation und der
technischen Kybernetik, Moskau, 1961).
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Dieses System enthält einen Fermenter, einen Geberblock zur Erfassung
der zu kontrollierenden Parameter des Kulturmediums, einen Steuersignalgeber, einen
Stellgliedblock zur Steuerung der Zufuhr der Komponenten des Kulturmediums und zur
Einhaltung der Züchtungsbedingungen innerhalb vorgegebener Grenzen, ein Steuerpult,
einen Einstellblock zur Vorgabe anfänglicher Parameterwerte sowie eine Einrichtung
zur Eingabe von Ergebnissen der chemischen Analyse. Der Fermentationsvorgang wird
vom Steuerpult aus aufgrund von Daten des Geberblocks sowie von chemischen Daten
korrigiert, die alle zwei Stunden in das Steuerpult eingegeben werden.
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Dabei werden folgende wichtige Parameter des Fermentationsvorgangs
sowie folgende chemische Daten zur Prozeßsteuerung herangezogen: Nutzinhalt des
Fermenters (für Hefesuspension) (m3), Durchflußgeschwindigkeit der Kulturflüssigkeit
(m3/h), Temperatur der Hefesuspension (OC), pH-Wert des Mediums, C02-Gehalt in den
Abqasen (%), 02-Gehalt in den Abgasen (%), Belüftung (m3/h), Phosphorgehalt (mg/l),
Stickstoffgehalt (mg/l), Paraffingehalt im Medium (mg/l), Paraffingehalt insgesamt
(Paraffingehalt im Medium + Lipideinschlüsse + Paraffingehalt in den Zellen), Konzentration
der Hefezellen (%), Eiweißgehalt in der Biomasse (%), Lipidgehalt in der Biomasse
(%), Gehalt an restlichen Kohlenhydraten in der Biomasse (%), Feuchtigkeit (%),
Aschegehalt der Biomasse (%), feste Beimengungen und Qualität (Tap) des benutzten
Rohstoffs (Paraffin udgl).
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Dieses herkömmliche System arbeitet wie folgt: Im Fermenter werden
Mikroorganismen, beispielsweise Hefezellen, gezüchtet, die das Paraffin oxidieren.
Die Geber messen die oben angegebenen Parameter des Fermentationsvorgangs
in
der betreffenden Kultur. Die Ausgangssignale des Geberblocks werden mit vorgeqebenen
anfänglichen Einstellwerten im Steuersignalgeber verglichen; die sich aus der Differenz
der vorgegebenen und der tatsächlichen Parameter ergebenden Differenzsignale werden
den Stellgliedern zugeführt. Die Stellglieder vergrößern oder verringern proportional
zu der vorliegenden Sollwertabweichung die Zufuhr der in den Fermenter eingeleiteten
Komponente, die die Abweichung eines gesteuerten Parameters vom Sollwert verursacht
hatte. Wenn sich beispielsweise der pH-Wert des Materials im Fermenter qeändert
hat, wird die Zufuhr von Ammoniak um einen am Steuerpult vorgegebenen Betrag so
verringert, daß wieder ein normaler Prozeßablauf erzielt wird. In ähnlicher Weise
werden auch die übrigen Parameter geregelt.
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Dieses System zur Steuerung des Fermentationsvorgangs ist jedoch
nicht dazu geeignet, eine optimale Prozeßsteuerung zu gewährleisten, bei der bei
minimalem Rohstoffverbrauch und minimalem Prozentgehalt an restlichen Kohlenwasserstoffen
in der Biomasse eine maximale Ausbeute an Biomasse erreicht wird. Die Abweichungen
des Fermentationsvorgangs vom normalen Ablauf beruhen auf drei Hauptursachen: Ein
Grund besteht darin, daß im System keine kontinuierliche quantitative Bewertung
zeitlich diskret, beispielsweise alle zwei Stunden, gelieferter mikrobiologischer
Daten und keine Bewertung der Konzentration der Biomasse und der restlichen Nährkomponenten
vorgenommen werden können.
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Ein weiterer, nicht weniger wichtiger Grund ist die Unvollständigkeit
der visuellen morphologischen Beschreibung der Mikroorganismenzellen, beispielsweise
Hefezellen, da eine vollständige Beschreibung zu einer unzulässigen Verlängerung
der diskret ausgegebenen morphologischen Daten führen würde. Außerdem können einige
mikrobiologische Daten wie etwa die statischen Strukturcharakteristiken der gesamten
Mikroorganismenpopulation überhaupt nicht qualitativ bewertet werden, obgleich diese
Charakteristiken durchaus günstig als Parameter für die Prozeßsteuerung herangezogen
werden könnten.
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Die dritte Ursache für die Prozeßbweichungen vom optimalen Ablauf
liegt in der subjektiven Entscheidung des Steuerpersonals, das die eingestellten
Werte der Hauptparameter aufgrund erhaltener Daten vom Steuerpult aus ändert. Auch
dies führt zu Prozeßabweichungen vom optimalen Verlauf und damit zu einer Verringerung
der erzeugten Menge an Biomasse und ihrer Qualität.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Steuerung
der Züchtung von Mikroorganismen anzugeben, bei dem die automatische Bestimmung
der morphologischen Merkmale und der statischen Charakteristiken einer Mikroorganismenpopulation
bei ihrer Züchtung und Identifizierung ermöglicht und dadurch die Optimierung des
Züchtungsvorgangs hinsichtlich Ausbeute und Produktqualität gewährleistet wird.
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Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
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Das erfindungsgemäße System zur Steuerung der Kultivierung von Mikroorganismen
weist ein Steuerpult zur Eingabe von Meßergebnissen der zu kontrollierenden Parameter
und chemischen Analysendaten des Kulturmediums, Geber, die die zu kontrollierenden
Parameter des Kulturmediums erfassen, eine-Eingabeeinrichtung zur Eingabe chemischer
Analysendaten, einen Einstellblock zur Vorgabe anfänglicher Steuersignalwerte und
einen Steuersignalqeber auf, dessen Eingänge mit dem Steuerpult und dem Einstellblock
und dessen Ausgänge mit Stellgliedern zur Änderung der Zufuhr der Komponenten des
Kulturmediums zur Einhaltung der Kultivierungsbedingungen innerhalb vorgegebener
Grenzen verbunden sind und ist gekennzeichnet durch einen Kanal zur Steuerung der
Mikroorganismen nach morphologischen Kennwerten mit - einer Recheneinheit zur Berechnung
der morphologischen Kennwerte der Mikroorganismenpopulation, - einem Abtastmikroskop
zur Untersuchung von Proben der Mikroorganismensuspension und zur Ubertragung der
Information auf die Recheneinrichtung, - einem Speicher zur Speicherung der von
den Gebern und der Recheneinrichtung gelieferten Informationen, dessen Eingänge
mit den Gebern und dessen Ausgänge mit der Recheneinrichtung verbunden sind, und
- einem Korrektursignalgeber zur Korrektur der Steuersignale, dessen Eingänge mit
den Gebern, den Ausgängen der Recheneinrichtung, des Speichers und der Eingabeeinrichtung
zur Eingabe von chemischen Analysendaten
und dessen Ausgänge über
einen Schalter mit dem Steuerpult und dem Steuersignalgeber verbunden sind.
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Zur Überwachung des Kultivierungsvorgangs, beispielsweise der Hefezüchtung,
kann die Recheneinrichtung zur Berechnung der morphologischen Kennwerte der Mikroorganismenpopulation
ein Abtastmikroskop zur Untersuchung von Proben des Kulturmediums und zur Übertragung
der Information an eine zur Erzeugung von mikroskopischen Abbildungen der Mikroorganismenpopulation
vorgesehene Abbildungseinheit enthalten, deren Ausgänge mit einer Einheit zur Bestimmung
der Maximalgröße der Zellen der Mikroorganismen bei ihrer Kultivierung, einer Einheit
zur Ermittlung der Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas
jeder abgetasteten Zelle, einer Einheit zur Bestimmung der polymodalen Verteilungsfunktion
der Helligkeitsamplituden aller Zellen und Tropfen des festlöslichen Substrats im
Abtastfeld, einer Einheit zur Bestimmung des Prozentgehalts an knospenden Zellen,
einer Einheit zur Ermittlung des Verhältnisses der Vakuolenfläche zur Zellenfläche,
einer Einheit zur Bestimmung des Formfaktors, einer Einheit zum Nachweis einer vorhandenen
infizierenden bakteriellen Mikroflora und einer Einheit zur Ermittlung des Verhältnisses
der Fläche von Lipideinschlüssen zur Zellenfläche verbunden sind, wobei der Ausgang
der Einheit zur Ermittlung der Maximalgröße der Zellen mit dem Eingang der Einheit
zur Bestimmung des Formfaktors verbunden ist und der Ausgang der Einheit zur Ermittlung
des Verhältnisses von Vakuolenfläche zu Zellenfläche
der Einheit
am Eingang/zur Ermittlung des Verhältnisses der Fläche von Lipideinschlüssen zur
Zellenfläche lieqt.
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Der zur Speicherung der erhaltenen Information vorgesehene Speicher
kann seinerseits eine Gruppe von Einheiten zur Bildung von Sätzen von Prozeßzustands-Kenndaten
enthalten, die dem jeweiligen Zusammenhang zwischen dem Durchsatz an Nährmedium,
der Hauptsubstratzufuhr und der Zufuhr von Salzen und Spurenelementen entsprechen;
jede dieser Einheiten kann über eine entsprechende Vergleichs schaltung an einen
Umschalter angeschlossen werden, der von einem Parametereinsteller gesteuert wird
und eingangsseitig über eine logische UND-Schaltung mit der Eingabeeinrichtung zur
Eingabe von chemischen Analysendaten, der Recheneinrichtung zur Berechnung der morphologischen
Kennwerte und den Gebern zur Erfassung der zu überwachenden Parameter des Kulturmediums
verbunden ist, wobei die Eingänge der logischen UND-Schaltung an die Ausgänge von
Vergleichern angeschlossen sind, die zum Vergleich der Konzentrationen der Biomasse
und des Restsubstrats zu verschiedenen Zeitpunkten dienen.
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Der Korrektursignalgeber enthält vorteilhafterweise folgende Schaltungen:
Eine Schaltung zur Auswahl von Gewichtungsfaktoren der Kenndaten aller Informationssätze,
eine an den Ausgang dieser Schaltung angeschlossene Zuordnungsschaltung zur Zuordnung
der jeweiligen Gewichtungsfaktoren zu den Kenndatensätzen, eine an den Ausgang dieser
Zuordnungsschaltung angeschlossene Klassierungsschaltung zur Klassierung von Kenndatengruppen
des jeweiligen Prozeßzustands und ihrer Zuordnung zu einem
der
im Speicher abgespeicherten Kenndatensätze sowie eine mit dem Ausgang der Klassierungsschaltung
verbundene Korrektur schaltung zur Korrektur der eingestellten Parameterwerte.
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Wenn die beim Steuervorgang erzeugten Korrektursignale zu einer Erhöhung
der Konzentration an Biomasse führen und keine Erhöhung der Konzentration des Restsubstrats
bewirken, werden die sumarischen Zustandskenndaten in eine der Einheiten zur Bildunq
von Kenndatensätzen eingegeben, wobei der Korrektursignalgeber zu diesem Zweck Vergleicher
zum Vergleich der Konzentrationen der Biomasse und des Restsubstrats zu verschiedenen
Zeitpunkten, eine mit den Eingängen an die Vergleicher angeschlossene logische UND-Schaltung
sowie eine Schaltung zur Substitution der nächsten Kenndatenkombination durch die
laufende Kombination der gleichen Kenndaten enthält.
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Der Korrektursignalgeber kann einen Substitutionszähler aufweisen,
der mit dem Ausgang der Schaltung zur Substitution der nächsten Kenndatenkombination
verbunden wird, sowie eine Vergleichsschaltung zum Vergleich der vorgegebenen Substitutionszahl
mit der gemessenen Substitutionszahl aufweisen, wobei der Eingang dieser Vergleichs
schaltung mit dem Ausgang des Zählers und ihr Ausgang mit der Schaltung zur Auswahl
von Gewichtungsfaktoren verbunden sind.
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Wenn sich beim Betrieb des Systems eine Kenndatengruppe ergibt, die
früher nicht vorgekommen war und von den zuvor beim Lernbetrieb eingebrachten Zustandsmerkmalen
erheblich
abweicht, kann in das erfindungsgemäße System zur Vorbeugung von Ausfällen eine
mit dem Ausgang der Recheneinrichtung verbundene Einheit zur integrierten Bewertung
des Zustands der Mikroorganismenpopulation und ein Mehrkanalkorrelator, dessen Eingänge
mit den Gebern wie zu kontrollierenden Parameter und mit der Einheit zur integrierten
Bewertung verbunden werden, sowie ein Extremwertregler vorgesehen werden, dessen
Eingang an den Ausgang des Mehrkanalkorrelators angeschlossen und dessen Ausgang
mit dem Steuerpult verbunden wird, wobei die Einheit zur integrierten Bewertung
des Zustands der Mikroorganismenpopulation einen Quadrierer, in den über eine Vergleichsschaltung
der jeweilige und der vorqegebene Wert der entsprechenden Zustandskenndaten eingegeben
werden, sowie einen Summierer mit einer Speichereinrichtung aufweist, deren Eingang
mit dem Ausgang des Quadrierers verbunden ist, wobei am Ausgang des Summierers ein
Signal erzeugt.
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wird, das der integrierten Bewertung des Zustands der Mikroorganismenpopulation
entspricht.
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Zur Kontrolle der Kultivierung des Mycels höherer Pilze kann die
Recheneinrichtung eine Einheit zur Erzeugung von Abbildungen der Mikroorganismenpopulation
enthalten, an deren Ausgängen entsprechend eine Einheit zur Bestimmung des Pilzfadendurchmessers,
eine Einheit zur Bestimmung der Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden des
Cytoplasmas bei jedem abgetasteten Pilzfaden sowie eine Einheit zur Ermittlung des
Verhältnisses der Fläche von Lipideinschlüssen zur Pilzfadenfläche vorgesehen sind.
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Mit dem erfindungsgemäßen System läßt sich die Mikroorganismenkultivierung
nicht nur automatisieren, sondern auch optimieren, wobei die Leistung des Fermenters
sowie die Qualität des Endprodukts bedeutend erhöht werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert;
es zeigen: Fig. 1: ein Schema des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 2: ein Schema
der Recheneinrichtung des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 3: eine schematische Darstellung
des Speichers des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 4: eine schematische Darstellung
des Korrektursignalgebers des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 5: ein Schema des
Korrektursignalgebers mit einem Substitutionszähler; Fig. 6: eine andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems; Fig. 7: ein Blockschaltbild der Einheit zur integrierten
Bewertung des erfindungsgemäßen Systems sowie Fig. 8: ein Blockschaltbild einer
weiteren Ausführungsform der Recheneinrichtung des erfindungsgemäßen Systems.
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Zur Erfassung der zu steuernden Parameter des Kulturmediums enthält
das erfindungsgemäße System Geber 1 (Fig. 1), die sich im Fermenter 2 befinden und
mit einem Steuerpult 3 verbunden sind, sowie eine Eingabeeinrichtung 4 zur Eingabe
von chemischen Analysendaten.
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Das System umfaßt ferner einen Steuersignalgeber 5, der mit Stellgliedern
6 verbunden ist, die die Förderung der Komponenten des Nährmediums in den Fermenter
2 zur Einhaltung der Kultivierungsbedingungen innerhalb vorgegebener Grenzen steuern.
Die Eingänge 7 und 8 des Steuersignalgebers 5 sind mit den Ausgängen der Geber 1
bzw mit den Ausgängen des Steuerpults 3 verbunden, das die Ergebnisse der Messung
der zu überwachenden Parameter und die chemischen Analysendaten von Proben des Kulturmediums
liefert. Am Eingang 9 des Steuersignalgebers 5 liegt der Einstellblock 10, mit dem
die anfänglichen Steuersignalwerte vorgegeben werden.
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Im erfindungsgemäßen System ist ein Kanal zur Steuerung der Mikroorganismenkultivierung
nach morphologischen Merkmalen der Mikroorganismen vorgesehen. Dieser Kanal enthält
ein Abtastmikroskop 11, das zur Untersuchung von Proben der Mikroorganismensuspension
und zur Übertragung der Information an eine Recheneinrichtung 12 dient, die die
morphologischen Kennwerte der Mikroorganismenpopulation berechnet. Der Ausgang der
Recheneinrichtung 12 ist mit dem Eingang 13 des Steuerpults 3 verbunden. Zur Speicherung
der erhaltenen Information enthält der Kanal einen Speicher 14, dessen Eingang 15
mit den Ausgängen der Geber 1 und dessen Eingang 16 mit dem Ausgang der Recheneinrichtung
12 verbunden sind.
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Am Ausgang des Speichers 14 liegt der Eingang 17 des zur Korrektur
der Steuersignale vorgesehenen Korrektursignalgebers 18, dessen andere Eingänge
19, 20, 21 mit den Ausgängen der Geber 1, der Recheneinrichtung 12 bzw der Eingabeeinrichtung
4 zur Eingabe der chemischen Analysendaten verbunden sind.
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Der Ausgang des Korrektursignalgebers 18 ist über einen Schalter
22 mit dem Eingang 23 des Steuerpults 3 und mit dem Eingang 24 des Steuersignalgebers
5 verbunden.
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Die Recheneinrichtung 12 umfaßt eine mit dem Abtastmikroskop 11 verbundene
Abbildungseinheit 25 (Fig. 2) zur Erzeugung von mikroskopischen Abbildungen der
Mikroorganismenpopulation, eine Einheit 26 zur Bestimmung der Maximalgröße der Zellen
der Mikroorganismen bei ihrer Kultivierung, eine Einheit 27 zur Ermittlung der Verteilungsfunktion
der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas jeder abgetasteten Zelle, eine Einheit
28 zur Bestimmung der polymodalen Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden
aller Zellen und Tropfen des festlöslichen Substrats, zB der Paraffin tropfen, im
Abtastfeld, eine Einheit 29 zur Ermittlung des Verhältnisses der Vakuolenfläche
zur Zellenfläche, eine Einheit 30 zur Ermittlung des Verhältnisses der Fläche von
Lipideinschlüssen zur Zellenfläche, eine Einheit 31 zur Bestimmung des Formfaktors,
eine Einheit 32 zum Nachweis einer vorhandenen infizierenden bakteriellen Mikroflora
und eine Einheit 33 zur Bestimmung des Prozentgehalts an knospenden Zellen.
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Der Eingang der Einheit 31 ist mit dem Ausgang der Einheit 26 und
der Ausgang der Einheit 29 mit dem Eingang der Einheit 30 verbunden.
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Der Speicher 14 enthält eine Gruppe von Einheiten 34' 342' 343 ...
-34N zur Bildung von Sätzen von Prozeßzustands-Kenndaten, die dem jeweiligen Zusammenhang
zwischen Nährmedium-Durchsatz D, Hauptsubstratzufuhr S0 und der Zufuhr C von Salzen
und Spurenelementen entsprechen.
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Jede der Einheiten 34 ist über eine ihr zugeordnete Vergleichsschaltung
35 mit einem Umschalter- 36 verbunden, der von einem Parametereinsteller 37 gesteuert
wird.
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Der Eingang des Umschalters 36 ist über eine logische UND-Schaltung
39 an die Eingabeeinrichtung 4 (Fig. 1), an die Recheneinrichtung 12 und an die
Geber 1 angeschlossen. Die Eingänge 40, 41 (Fig. 3) der logischen UND-Schaltung
39 sind mit den Ausgängen der Vergleicher 42, 43 zum Vergleich der Konzentrationen
x der Biomasse und des Restsubstrats s zu verschiedenen Zeitpunkten verbunden.
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Der Korrektursignalgeber 18 enthält eine Schaltung 44 (Fig. 4) zur
Auswahl von Gewichtungsfaktoren der Kenndaten aller Informationssätze, eine mit
dem Eingang 46 an den Ausgang der Schaltung 44 angeschlossene Schaltung 45 zur Zuordnung
der entsprechenden Gewichtungsfaktoren zu den Kenndatensätzen, eine Klassierungsschaltung
47 zur Klassierung von Kenndatengruppen des jeweiligen Prozeßzustands und ihrer
Zuordnung zu einem der im Speicher 14 (Fig. 1) eingespeicherten Kenndatensätze sowie
eine Korrekturschaltung 48 (Fig. 4) zur Korrektur der eingestellten Parameterwerte.
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Der Eingang 49 der Klassierungsschaltung 47 ist an den Ausgang der
Schaltung 45 und der Eingang 50 der Korrekturschaltung 48 an den Ausgang der Klassierungsschaltung
47 angeschlossen.
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Die Eingänge 51, 52, 53 der Klassierungsschaltung 47 sind entsprechend
mit den Ausgängen der Eingabeeinrichtung 4, der Recheneinrichtung 12 bzw der Geber
1 verbunden. Der Korrektursignalgeber 18 weist erfindungsgemäß Vergleicher 54, 55
(Fig. 5) zum Vergleich der Konzentration in der Biomasse und des Restsubstrats zu
verschiedenen Zeitpunkten auf. Den Eingängen 56, 57 des ersten Vergleichers 54 werden
Signale zugeführt, die der Konzentration der Biomasse entsprechen, während auf die
Eingänge 58 und 59 des zweiten Vergleichers 55 die der Konzentration des Restsubstrats
entsprechenden Signale gegeben werden.
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Der Ausgang des Vergleichers 54 ist über eine Vergleichsschaltung
60 mit dem Eingang 61 der logischen UND-Schaltung 62 verbunden, an deren zweitem
Eingang 63 der Ausgang des Vergleichers 55 liegt.
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Zum Korrektursignalgeber 18 gehört ferner eine Substitutionsschaltung
64 zur Substitution der nächsten Kenndatenkombination durch die laufende Kombination
der gleichen Kenndaten des Prozesses.
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Bei der Substitutionsschaltung 64 sind die Eingänge 65 an den Ausgang
der logischen UND-Schaltung 62 und der Ausgang an den Eingang 66 der Schaltung 45
zur Zuordnung der entsprechenden Gewichtungsfaktoren zu den Kenndatensätzen
angeschlossen.
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Der Korrektursignalgeber 18 weist ferner einen Substitutionszähler
67, dessen Eingang 68 mit dem Ausgang der Substitutionsschaltung 64 verbunden ist,
sowie eine Vergleichsschaltung 69 zum Vergleich der vorgegebenen Substitutionszahl
mit der gemessenen Substitutionszahl auf. Bei dieser Vergleichsschaltung 69 ist
der Eingang 70 an den Ausgang des Substitutionszählers 67 angeschlossen, während
ihrem Eingang 71 ein Signal zugeführt wird, das der vorgegebenen Substitutionszahl
entspricht. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 69 ist über einen Schalter 72 mit
dem Eingang 73 der Schaltung 44 zur Auswahl von Gewichtungsfaktoren der Kenndaten
verbunden.
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Zur Erweiterung des Funktionsbereichs ist das erfindungsgemäße System
mit einer Einheit 74 (Fig. 2) zur integrierten Bewertung des Zustands der Mikroorganismenpopulation
ausgestattet, deren Eingang 75 mit dem Ausgang der Recheneinrichtung 12 und deren
Ausgang mit dem Eingang 76 eines Mehrkanalkorrelators 77 verbunden sind. Die Eingänge
78 des Mehrkanalkorrelators 77 liegen an den Ausgängen der Geber 1, während seine
Ausgänge an einen Extremwertregler 79 angeschlossen sind. Die Ausgänge des Extremwertreglers
79 sind mit dem Steuerpult 3 verbunden.
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Die Einheit 74 enthält ihrerseits einenj-Quadrierer 80 (Fig. 7),
dessen Eingang 8t ån.den.Äusgang der Vergleichs schaltung 82 und deren Ausgang an
einen Summierer 83 angeschlossen sind, zu dem auch eine Speichereinrichtung
84
gehört. Den Eingängen 85 und 86 werden die laufenden und die vorgegebenen Werte
der entsprechenden Zustandskenndaten zugeführt. Am Ausgang des Summierers 83 erscheint
ein Signal, das der integrierten Bewertung des Zustands der Mikroorganismenpopulation
entspricht.
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Das oben erläuterte Beispiel des erfindungsgemäßen Systems betrifft
die Prozeßsteuerung bei der Hefezüchtung. Ein ähnliches System kann jedoch auch
zur Steuerung der Kultivierung beliebiger anderer Mikroorganismen, zB von höheren
Pilzen, herangezogen werden.
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In diesen Fällen enthält die Recheneinrichtung die Abbildungseinheit
25 zur Erzeugung mikroskopischer Abbildungen der Mikroorganismenpopulation sowie
eine Einheit 87 (Fig. 8) zur Bestimmung des Pilzfadendurchmessers, eine Einheit
88 zur Bestimmung der Verteilungsfunktion der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas
bei jedem abgetasteten Pilzfaden sowie eine Einheit 89 zur Ermittlung des Verhältnisses
der Fläche der Lipideinschlüsse zur Pilzfadenfläche. Die Ausgänge der Einheiten
87, 88, 89 sind mit der Abbildungseinheit 25 verbunden.
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Die Baueinheiten und Geber des erfindungsgemäßen Systems können in
beliebiger bekannter Weise ausgeführt werden, auch können bereits fertig verfügbare
Baueinheiten verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße System ist nicht auf die erläuterten und dargestellten
Baueinheiten und Geber
beschränkt, sondern umfaßt auch alle Modifizierungen
und Ausführungsvarianten im Rahmen des Erfindungskonzepts.
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Das erfindungsgemäße System arbeitet wie folgt: Der Betrieb beginnt
mit dem Lernbetrieb, wozu der Schalter 22 in die neutrale Stellung gebracht wird.
Dem Steuerpult 3 und dem Speicher 14 werden Daten von den zur Überwachung der physikalisch-chemischen
Parameter vorgesehenen Geber 1, von der Recheneinrichtung 12 sowie von der Eingabeeinrichtung
4 zugeführt. Aufgrund dieser Daten wird am Steuerpult 3 entschieden, einige Bereiche
der mit dem Einstellblock 10 vorgegebenen Parameter zu ändern. Größe und Vorzeichen
dieser Änderungen der Zufuhr der in den Fermenter 2 geleiteten Komponenten, die
diese Parameter beeinflussen, gelangen vom Steuerpult 3 in den Speicher 14 und werden
dort auf einer 'Seite', dh in einer Gruppe von Kenndatensätzen, neben den Daten
der Geber 1, der Recheneinrichtung 12 und der Eingabeeinrichtung 4 aufgezeichnet,
die eine Entscheidung zur Parameteränderung betrifft. Wenn sich die Entscheidung
als richtig erweist, bleiben die von den Gebern 1, der Recheneinrichtung 12 und
der Eingabeeinrichtung 4 sowie gemäß der Entscheidung eingegebenen Daten im Speicher
14, bei negativer Auswirkung der Entscheidung, dh Verringerung der Ausbeute an Biomasse
bzw Herabsetzung der Qualität der Biomasse, werden die Daten im Speicher 14 gelöscht.
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In diesen Speicherbereich wird auch der Vergrößerungsfaktor der Wirtschaftlichkeitskennzahleneingelesen.
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In vorgegebenen Zeitabständen wird der beschriebene Zyklus wiederholt,
wobei aus den einzelnen, für den betreffenden
Rohstoff, beispielsweise
Paraffin, eingespeicherten Speicherbereichen (Seiten) im Speicher 14 ein Informationssatz
('Buch') zusammengestellt wird.
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Hierzu ist zu bemerken, daß die Nullwerte der Komponentenänderungen
und die dabei erhaltenen positiven Ergebnisse ebenfalls in den Speicher 14 eingelesen
werden.
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Beim Lernbetrieb müssen nicht spezielle Bedingungen für Prozeßabweichungen
vom Sollbetrieb vorgegeben werden, da eben real ablaufende Prozesse behandelt werden.
Nach Beendigung des Lernbetriebs, der während einer Zeit t (mehrere Wochen oder
Monate lang) durchgeführt wird, erfolgt die mathematische Verarbeitung der erhaltenen
Ergebnisse (Wahl der Metrik, der Gewichtungsfaktoren udgl). Dann wird der Schalter
22 in die Stellung I gebracht, worauf das System halbautomatisch wie folgt beratende
Funktion übernimmt: Die von den Gebern 1, der Recheneinrichtung 12 und der Eingabeeinrichtung
4 laufend gelieferten Daten (Kenndaten des Prozesses) gelangen in den Korrektursignalgeber
18, in dem sie nach einem Algorithmus zur Zeichenerkennung mit den auf den Seiten
des Speichers 14 neben den entsprechenden Entscheidungen gespeicherten Daten verglichen
werden. Der Korrektursignalgeber 18 wählt aus dem Speicher 14 die auf einer Seite
des Buchs für den betreffenden Rohstoff abgespeicherten Daten aus, die den laufenden
Prozeßdaten am nächsten kommen. Dieser Seite wird die vorher eingelesene positive
Entscheidung zur Änderung der vom Einstellblock 10 eingegebenen Werte entnommen.
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Wenn das System im Beratungsbetrieb befriedigend arbeitet, wird der
Schalter 22 in die Stellung II (automatischer Betrieb) geschaltet. Als befriedigend
gilt dabei ein Betrieb des Systems, bei dem die Ausführung der Systembefehle (Beratungsbetrieb)
eine Wirtschaftlichkeitskennzahl ergibt, die nicht kleiner ist als die auf der entsprechenden
Speicherseite eingelesene Wirtschaftlichkeitskennzahl. Wenn die Wirtschaftlichkeitskennzahl
größer ist als die im Speicher vorliegende, wird die vorher gespeicherte Seite gelöscht,
und für die neue Wirtschaftlichkeitskennzahl werden neue Daten und die betreffenden
Entscheidungen eingelesen.
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Wenn sich beim laufenden Kultivierungsprozeß eine Situation (dh eine
Kenndatenkombination) ergibt, die von allen beim Lernbetrieb vorgekommenen Kombinationen
stark abweicht, liefert das System im Beratungsbetrieb eine Absage, dh gibt keine
Empfehlungen zur Prozeß korrektur, beispielsweise zur Änderung der Zufuhrmengen.
In diesem Fall wird das Korrektursignal einer Korrelations- und Extremwertregelungsschleife
entnommen, die wie folgt arbeitet: Aufgrund der in der Recheneinrichtung 12 berechneten
morphologischen Kennwerte liefert die zur Berechnung der integrierten Bewertung
vorgesehene Einheit 74 eine Bewertung Q des Zustands der Mikroorganismen, beispielsweise
das quadratische Mittel der Abweichung der jeweiligen morphologischen Kennwerte
von den Sollwerten. Die Q-Werte gelangen zu jedem Berechnungszeitpunkt zum Eingang
des Mehrkanalkorrelators 77. Dem anderen Eingang 78 des Mehrkanalkorrelators 77
werden
die Daten der Geber 1 und die chemischen Analysendaten von
der Eingabeeinrichtung 4 zugeführt. Wenn eine Prozeßabweichung beispielsweise infolge
verborgener, nichtkontrollierbarer Störungen auftritt, ändert sich die integrierte
Bewertung des Zustands der Mikroorganismen. Der Q-Wert wird größer, und an einem
oder mehreren Ausgängen des Mehrkanalkorrelators 77 tritt ein Signal mit auf, das
einem der kontrollierbaren und dem Q-Wert korrelierenden Parameter (oder mehreren
Parametern) entspricht. Das Signal des Mehrkanalkorrelators 77 wird einem Extremwertregler
79 zugeführt, der diesen bzw diese Parameter so lange ändert, bis das Ausgangssignal
des Mehrkanalkorrelators 77 kleiner als eine im voraus vorgegebene kleine Größe
wird.
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Im folgenden wird die Funktion einzelner Baueinheiten des erfindungsgemäßen
Systems näher erläutert.
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In vorgegebenen Zeitabständen werden dem Fermenter 2 Proben entnommen,
die mit dem Abtastmikroskop 11 analysiert werden.
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Die Abbildung wird zeilenweise in einer vorgegebenen Schrittfolge
und mit einer entsprechenden Sonde abgetastet. Die vom Abtastmikroskop 11 gelieferte
Zahlenmatrix von Helligkeitsamplituden der Abbildung der Mikroorganismensuspension,
beispielsweise von Hefezellen, wird in der zur Berechnung der morphologischen Kennwerte
bestimmten Recheneinrichtung 12 analysiert, in der die Koordinaten von Konturen
der Bildelemente (Mikroben, Lipideinschlüsse, Vakuolen, Paraffintropfen) ermittelt
werden; nach diesen Daten
werden die Abmessungen und die Form der
Zellen, der Prozentgehalt an knospenden Zellen, das Verhältnis der Vakuolenfläche
zur Zellenfläche, das Verhältnis der Fläche der Lipideinschlüsse zur Zellenfläche,
die Verteilungsfunktionen (und die auf ihrer Basis ermittelten Werte der Anfangsmomente)
der Helligkeitsamplituden des Cytoplasmas für jede Zelle sowie für alle Zellen und
Paraffintropfen im Abtastfeld berechnet.
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Die Recheneinrichtung 12 arbeitet bei allen drei Betriebsarten des
Systems, dh beim Lernbetrieb, beim Erkennungsbetrieb (Klassierungsbetrieb) und beim
Korrelations- und Extremalbetrieb, in gleicher Weise.
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Beim Lernbetrieb spielt der Speicher 14 die Hauptrolle. Er enthält
eine Anzahl N vorher eingespeicherter Kenndatensätze, von denen jeder einer der
möglichen Kombinationen von Werten an den Steuereingängen entspricht. Dabei wird
vorausgesetzt, daß ein und dieselbe Entscheidung bei verschiedenen, aber einander
nahekommenden Prozeß zuständen getroffen werden kann, die durch die Kenndaten charakterisiert
sind.
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Die Kenndatensätzen werden beim Normalbetrieb des von der Bedienungsperson
gesteuerten Fermenters 2 gebildet. In dem Zeitpunkt, in dem die Ausbeute größer
wird oder sich im Vergleich zum vorhergehenden Zeitpunkt nicht ändert ( x x a p)
und der Gehalt an Restsubstrat kleiner ist als der durch die Qualität des Endprodukts
zugelassene
Wert, werden alle Kennwerte des Prozeßzustands, dh die morphologischen Kennwerte,
die Signale der Geber 1 und die Ergebnisse der chemischen Analyse, über die UND-Schaltung
39 in den Kenndatensatz der N Sätze eingebracht, der der Eingangskombination im
Zeitpunkt vor der Leistungserhöhung entspricht. Dazu werden die Prozeßzustandskenndaten
von der UND-Schaltung 38 auf den Wähler 90 des Umschalters 36 gegeben. Dieser wird
durch Signale gesteuert, die von der Bedienungsperson aufgrund ihrer Erfahrung geändert
werden. Der Wähler 90 wird abwechselnd an jede Vergleichs schaltung 35 angeschlossen,
wobei auf einen Eingang der angeschlossenen Vergleichs schaltung 35 Signale von
den Einheiten 34 für entsprechende Kenndatensätze gegeben werden. Der Wähler 90
bleibt bei der Vergleichsschaltung 35 stehen, deren Ausgangssignal minimal ist,
dh, wenn die von der Bedienungsperson eingestellten Eingangssignale mit einer Kombination
der in den N Kenndatensätzen abgespeicherten Signale annähernd übereinstimmen. Über
den Wähler 90 werden auch die Zustandskenndaten dorthin zugeführt.
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Nach einer genügend langen Lernzeit werden mit der zur Auswahl der
Gewichtungsfaktoren bestimmten Schaltung 44 die Gewichtungsfaktoren gewählt und
den entsprechenden Kenndaten zugeordnet. Damit wird das System zur (mit der Klassifizierung
erfolgenden) Steuerung im Beratungsbetrieb vorbereitet.
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Das erfindungsgemäße System arbeitet im Beratungsbetrieb wie folgt:
Die
dem Zustand des Kultivierungsvorgangs entsprechenden Signale der Geber 1, der Recheneinrichtung
12 und der Eingabeeinrichtung 4 gelangen zur Schaltung 45, die zur Zuordnung der
Kenndaten des jeweiligen Prozeßzustands zu einem der im Speicher 14 abgespeicherten
Kenndatensätze dient. Diese Zuordnung (Klassifikation) erfolgt nach einem bekannten
Zeichenerkennungsalgorithmus.
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Näch der Wahl einer dem jeweiligen Prozeß zustand am nächsten kommenden
Prozeßzustandscharakteristik, die beim Lernbetrieb durch bekannte Eingangsgrößen
dieses Zustands eingegeben wurde, liefert die Zuordnungsschaltung 45 diese steuerbaren
Größen an die zur Korrektur der eingestellten Parameterwerte bestimmte Korrekturschaltung
48, in der die vorher eingestellten steuerbaren Eingangsgrößen durch neue, von der
Schaltung 45 erhaltene Größen ersetzt werden. Wenn die vom System ausgegebenen Kennwerte
im Zeitpunkt t3 eine Erhöhung der Biomassenausbeute x ohne Verschlechterung der
Endproduktqualität, also bei s(t3) C s (o)) bewirken, spricht die UND-Schaltung
62 an, wobei die von den Gebern 1, von der Recheneinrichtung 12 und von der Eingabeeinrichtung
4 abgegebenen Signale zur Substitutionsschaltung 64 geleitet werden, die zur Substitution
der nächsten Kenndatenkombination im Kenndatensatz durch die laufende Kombination
dient. Dabei wird die nächste Kombination im Speicher 14 gelöscht; an ihre Stelle
werden die Kenndaten des laufenden Prozeßzustands eingespeichert. In der Substitutionsschaltung
64 wird dabei ein Substitationsimpuls erzeugt, der
zum Substitutionszähler
67 geleitet wird.
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Wenn die Zahl der Substitutionen größer wird als die vorgegebene
Zahl, nimmt die Schaltung 44 zur Auswahl der Gewichtungsfaktoren wieder ihren Betrieb
auf.
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Von der Korrekturschaltung 48 gelangen die steuerbaren Kennwerte zu
den Summierern des Steuersignalgebers 5, in dem die Anzahl der Summierer der Anzahl
der zu steuernden Hauptparameter entspricht.
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Jeder Summierer hat drei Eingänge. Dem ersten Eingang werden die
vorgegebenen Werte der gesteuerten Parameter des zu erwartenden und unter normalen
Bedingungen ablaufenden Prozesses zugeführt. Zum zweiten Eingang jedes Summierers
gelangt das Signal des Gebers 1, der die Größe des entsprechenden Parameters des
ablaufenden Prozesses mißt. Auf den dritten Eingang jedes Summierers werden Signale
von der Korrekturschaltung 48 zur Korrektur der eingestellten Parameterwerte gegeben.
Die Ausgangssignale der zum Steuersignalgeber 5 gehörenden Summierer werden den
Stellgliedern 6 zugeführt, mit deren Hilfe die Förderung derjenigen Komponente in
den Fermenter 2 geregelt wird, die den entsprechenden Prozeßparameter beeinflußt.
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Beim erfindungsgemäßen System stellt sich ein Gleichgewichtszustand
ein, wenn die Kennwerte des ablaufenden Prozesses mit den Kenndaten des genormten,
dh erwünschten, im obigen Sinne optimalen Prozesses übereinstimmen, der auf der
positiven Erfahrung der Bedienungsperson beruht.
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Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang, daß die integrierte Bewertung
des Zustands der Mikroorganismen in der Recheneinrichtung 12 bestimmt wird, auf
deren Vergleichsschaltung 82 abwechselnd Ist- und Sollwerte der Zustandsmerkmale
gegeben werden. Die resultierenden Differenzwerte gelangen von der Vergleichsschaltung
zum Quadrierer 80 und dann zur Speichereinrichtung 84.
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Vom Ausgang der Speichereinrichtung 84 werden die quadrierten Differenzwerte
dem Summierer 83 zur Berechnung der als Quadratsumme der Differenzwerte oder als
ihre Modul summe ausgedrückten integrierten Bewertung zugeführt, die zum Eingang
des Mehrkanalkorrelators 77 übertragen wird.
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Das erfindungsgemäße System liefert somit alle von den Gebern 1 erfaßten
quantitativen Unterscheidungsmerkmale des Zustands von Kultivierungsvorgängen sowie
morphologische Kennwerte von Mikroorganismen und die Daten der chemischen Analyse.
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Aufgrund der beim Lernbetrieb gesammelten Erfahrungen bei der Steuerung
des Kultivierungsvorgangs verringert das erfindungsgemäße System Abweichungen im
Prozeßablauf, da die zuvor gemachten Fehler nicht wiederholt werden und somit der
Prozeß hinsichtlich der Menge und der Qualität des Endprodukts stabilisiert wird.
Das erfindungsgemäße System kann ferner zur Darstellung der Abhängigkeit der morphologischen
Kennwerte der Mikroorganismen von den gesteuerten Parametern des Mediums, dh von
den Kultivierungsbedingungen benutzt werden. Aufgrund dieser Abhängigkeit kann der
Kultivierungsprozeß beim Lernbetrieb verbessert werden.
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