Контроль и управление биотехнологическими процессами; моделирование и оптимизация

24 Декабря в 22:09 3774 0


Эффективное проведение биотехнических процессов тесно связано с совершенствованием способов контроля и управления. В период предыстории биотехнологии делались отдельные попытки регулировать развитие продуцента с помощью изменений параметров внешней среды.

До середины XX в. регулирование в основном сводилось к эмпирике, так как без знаний сущности происходящего невозможно эффективно контролировать и управлять процессом. В основном объектом управления в тот период была экстенсивная периодическая культура микроорганизмов со всеми ее недостатками: динамикой состояния продуцента и среды, отсутствием средств контроля.

В последние 25 лет с внедрением управляемых культур биотехнологи переходят от простой задачи поддержания определенных параметров среды к управлению процессом в целом. Для реализации управляемого культивирования необходимо построение алгоритмов управления, основанных на моделях биотехнологического процесса.

Моделирование является одним из наиболее значимых направлений при разработке биотехнологических процессов, так как с помощью моделирования, экспериментального и математического, исследуются и разрабатываются новые процессы, совершенствуются аппараты и технологические схемы производств.

При экспериментальном моделировании в лабораторных и промышленных условиях применяются, как правило, модели объектов процессов, отличающимися масштабами. Экспериментальное моделирование позволяет исследовать и оптимизировать процессы, сущность которых мало изучена. Данный подход часто служит единственным средством для исследования биотехнологического процесса. Первым этапом экспериментального моделирования служит лабораторный уровень, на котором при сравнительно небольших затратах проводится изучение новых продуцентов и разработка новых процессов.

Далее полученные результаты переносят в опытные, полупромышленные и промышленные масштабы. На опытных установках отрабатываются все технологические детали будущего процесса, обучается персонал, создается оборудование, уточняются технико-экономические показатели. Затем проводятся крупномасштабные дорогостоящие промышленные эксперименты и испытания.

Экспериментальное моделирование имеет ряд особенностей: трудоемкость, сложность реализации новой модели процесса. Наиболее трудны при этом вопросы масштабирования технологии и оборудования. Развитие биологических агентов связано не только с поведением жидкости и реагентов в ферменте, но и с их собственным метаболизмом. Поэтому масштабирование в биологии требует специальных решений, при этом до настоящего времени нет единого подхода к данной задаче.



Для оптимизации и управления биотехнологическими процессами, помимо экспериментального, необходимо также привлечение математического моделирования. Эти два подхода дополняют друг друга и позволяют более эффективно решать поставленные задачи. Экспериментальное моделирование часто предшествует математическому, являясь для него источником информации. Математические модели - удобное средство обобщения экспериментальных данных.

Известны неструктурированные модели, предполагающие простейший подход к моделированию роста культуры клеток и описывающие только количество биологи -ческой фазы (биологического агента), и структурированные модели (компартментальные и метаболические), учитывающие состав биофазы. Причем компартментальные модели являются более простыми и включают небольшое число переменных, а метаболические модели являются более сложными и включают все ключевые детали метаболизма. Наличие математических моделей позволяет более обоснованно подходить к планированию экспериментов и обрабатывать данные, существенно сокращать объем экспериментальных работ.

Оптимизация биотехнологических процессов осуществляется на основе сочетания экспериментального и математического моделирования и применения современных методов оптимизации (динамического и нелинейного программирования, вариационного исчисления). Однако в настоящее время для оценки оптимальности биотехнологических процессов трудно даже подобрать критерии . Как правило, на первых этапах оптимизируются отдельные звенья, стадии, параметры процесса и только потом весь процесс в целом, что наиболее эффективно.

Моделирование и оптимизация биотехнологических процессов -задача сложная и во многом еще неразрешенная, однако именно разработка адекватных моделей разных биотехнологических процессов и создание на этой основе современных методов оптимизации и управления важнейших направлений биотехнологии, без которых невозможен прогресс.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы