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.
