Биотехнологическими процессами;

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

Эффективное проведение биотехнологических процессов тесно связа-

но с совершенствованием способов контроля и управления. В период пре-

дыстории биотехнологии делались отдельные попытки регулировать раз-

витие продуцента с помощью изменений параметров внешней среды. До

середины ХХ века регулирование в основном сводилось к эмпирике, так

как без знания сущности происходящего невозможно эффективно контро-

лировать и управлять процессом. В основном, объектом управления того

периода была экстенсивная периодическая культура микроорганизмов со

всеми ее недостатками: динамикой состояния продуцента и среды, отсут-

ствием средств контроля. В последние 25 лет с внедрением управляемых

культур биотехнологи переходят от простой задачи поддержания опреде-

ленных параметров среды к управлению процессом в целом. Для реализа-

ции управляемого культивирования необходимо построение алгоритмов

управления, основанных на моделях биотехнологического процесса. В

современных биотехнологических процессах необходимо регистрировать

и анализировать множество быстроизменяющихся факторов (концентра-

цию субстрата, биомассы и продукта в культуре, рН, температуру, парци-

альное давление кислорода и др.) (табл. 1.3). Это вызывает необходимость

в применении электронной техники. Первые разработки по применению

ЭВМ в биотехнологии относятся к концу 60-х гг. ХХ века. На первых эта-

пах ЭВМ привлекали в качестве советчика оператора, управляющего ис-

полнительными механизмами для поддержания оптимального течения

биотехнологического процесса. Прежде всего, для сбора и обработки ин-

формации по показаниям датчиков и для представления этой информации

в легковоспринимаемой форме. Разрабатывали также системы автомати-

ческого регулирования отдельных параметров (дозировка среды или от-

дельных компонентов, стабилизация температуры и рН среды, скорости

протока) по принципу контроля с обратной связью. Позднее ЭВМ стали

использовать для управления технологическим процессом в целом в со-

ставе автоматизированных систем АСУ. Задача создания АСУ стала осо-

бенно актуальной при реализации крупнотоннажных биотехнологических

процессов. В настоящее время АСУ осуществляется на основе системного

подхода, и управление имеет многоуровневую иерархическую систему.

Внедрение АСУ позволяет осуществить рациональное управление про-

цессом биосинтеза. В результате этого экономятся исходное сырье, элек-

троэнергия, вода, повышается продуктивность процесса и производитель-

ность труда обслуживающего персонала. Затраты на создание и внедрение

АСУ в биотехнологии окупаются сравнительно быстро, в течение 3–4 лет.

Обычная схема контроля и управления ферментацией включает фер-

ментер, датчики, регулирующую систему, которая реализует расчетные

зависимости на основе измерения параметров процесса. Исходные данные

от датчиков поступают на ЭВМ, в которой они оперативно анализируют-

ся, и в результате выдаются данные для исполнительных устройств и ме-

ханизмов. В настоящее время разработка и внедрение АСУ для биотехно-

логических процессов, прежде всего, определяется уровнем технической

Т а б л и ц а 1.3

Величины и расчетные параметры, применяемые для управления

Биотехнологическими процесами

Измеряемые параметры Расчеты на базе измерений

Концентрация основных субстратов и про-

Дуктов в культуральной среде (сахара,

Спирты, органические кислоты и пр.).

Продуктивность (кг /м3 ч).

Удельная скорость роста, μ (ч-1).

Удельная скорость потребления субстрата, q s

(кг/кг Х ч).

Концентрации важнейших внутриклеточ-

Ных компонентов (ферменты метаболизма

Углерода, ключевые метаболиты, АТФ,

НАДФ и др.).

Концентрация биомасс.