Информационные технологии в Биотехнологии

Биотехнология – это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах – химической и информационной технологиях и робототехнике.

Информационные технологии представляют собой системы методов и способов, которые ориентированы на получении, хранении, обработку использования и распространения информации с применением компьютеров.

В биотехнологии информационные технологии применяются по следующим основным направлениям:

- создание электронных баз данных и библеотек;

- моделирование биотехнологических объектов и процессов;

- автоматизация промышленных биотехнологических процессов.

Тотальная компьютеризация революционизировала процесс получения данных. Результаты научных исследований не ждут годами публикаций в “толстых журналах”, а появляются в Web-пространстве практически сразу по завершении работы. Сегодняшний уровень информационных технологий позволяет географически удаленным исследователям совместно работать над общими научными, техническими, гуманитарными и иными проектами в рамках “виртуальных организаций”. Наиболее распространенными видами коллекций научной информации сегодня являются базы данных (БД) и электронные библиотеки (ЭБ). В рамках этих коллекций накапливаются как данные экспериментов и результаты их обработки, так и различные текстовые, графические и иные документы – научные отчеты, описания экспериментов, а также персональные библиографические подборки, являющиеся неотъемлимой частью результатов научных исследований.

Мощным инструментом познания, анализа и синтеза нелинейных процессов и систем, биотехнологии, пищевой и химической технологии является метод математического моделирования, поддерживаемый разнообразными компьютерными системами и пакетами прикладных программ. Наиболее известны для решения широкого круга задач в биотехнологии и смежных науках системы и пакеты MathCAD [1], Matlab [2], Maple [3], ChemCAD [4], FlexPDE и др.

Для прогнозирования и описания биохимическхе процессов, связанных с синтезом веществ и осуществляемых под воздействием и при непосредственном участии живых микроорганизмов и выделенных из них ферментов, наиболее удобна программа FlexPDE.

Скорость биохимических процессов, определяется скоростью роста культуры в зависимости от концентрации одного или нескольких наиболее важных компонентов среды, обеспечивающих основу метаболизма – лимитирующих субстратов. В основе их математического описания лежат системы дифференциальных уравнений в частных производных, решения для которых в аналитическом виде, возможно, получить только в частных случаях. При математическом моделировании этих процессов необходимо прибегать к тем или иным численным методам, позволяющим найти приближенное решение дифференциальной задачи в виде таблицы чисел, на основе которой можно построить графическое отображение решения, получить те или иные количественные характеристики процесса, выбрать оптимальные параметры, т.е., в конечном счете, получить достаточно полное представление относительно изучаемой проблемы.

Пакет FlexPDE поддерживает наиболее распространенный из численных методов решения дифференциальных уравнений в частных производных – метод конечных элементов [5]. То есть позволяет наиболее точно, подробно и легко спрогнозировать и описать сложные биотехнологические процессы.

Использование подобных программ значительно ускоряет развитие как фундаментальных знаний, так и прикладного промышленного применения различных биотехнологических процессов и объектов.

Возможность сочетания компьютерного управления с уже существующими и вновь создаваемыми машинами и системами машин освобождает человека от физического труда, связанного с тяжелыми, а иногда вредными и опасными условиями, а также с монотонными, однообразными, утомительными и нетворческими действиями.

Одними из первых инструментов автоматизации широкое распространение получили микропроцессорные системы для станков с программным управлением. В качестве внешних устройств выступают двигатели, перемещающие инструменты (резцы, сверла и т.п.) и обрабатываемые детали. Каждый двигатель имеет свой набор элементарных действий: «опустить резец», «переместить резец вправо на 1 см» и т. п. Для изготовления любой детали составляется алгоритм из элементарных действий. Затем этот алгоритм переводится на язык команд процессора, который, выполняя программу, дает внешним устройствам указания на выполнение действий, необходимых для изготовления детали.

Более сложными микропроцессорными системами являются промышленные роботы. Они снабжены простейшими «органами чувств», способными своевременно реагировать на изменение ситуации. Применение роботов позволяет полностью автоматизировать работу производственных участков, цехов и целых заводов. Однако остаются области деятельности, где компьютер ещё не может полностью заменить человека. Это прежде всего области, связанные с неформальным творческим подходом к делу.

Но информационные технологии могут значительно облегчить творческий труд. Для этого создаются автоматизированные рабочие места (АРМ). АРМ – это комплекс высокопроизводительных устройств, присоединенных к компьютеру, заменяющий привычные малопроизводительные орудия труда (справочники, пишущие машинки, телефоны и т. п.). При этом состав АРМ определяется его назначением. Например, АРМ конструктора состоит из дисплея, на котором можно изображать чертежи, графопостроителя для выдачи чертежей на бумагу, принтера и других внешних устройств. АРМ, конечно, не может выполнять свои функции без соответствующего программного обеспечения. Для конструкторов – это различные системы автоматизированного проектирования (САПР). Такие системы подсказывают конструктору, какие материалы он может использовать, помогают оформить документацию, считывают элемент конструкции и создают чертежи по эскизу. Программное обеспечение АРМ директора предприятия содержит автоматизированную систему управления (АСУ). АСУ быстро выдает на экран дисплея или на бумагу оперативную сводку о положении дел на предприятии (наличие ресурсов, ход выполнения плана, сведения о работниках предприятия и т. п.), помогает в выборе смежников, а также экономической стратегии и тактики. Создаются АСУ, предназначенные для обеспечения оптимального взаимодействия уже не отдельных аппаратов и автоматических линий, а цехов, производственных объединений в масштабах целой отрасли. Они осуществляют сбор, обработку, хранение и предоставление информации, необходимой для обоснованного принятия решений.

На крупномасштабных производствах программное обеспечение обычно выполняет большое количество функций. Информация с датчиков, установленных на каждом аппарате, переключателе, кране и передается на ПК. За которым либо следит оператор и, в случае отклонений в технологическом процессе, принимает необходимые меры. Либо это происходит автоматически под контролем программы. Все зависит от сложности контролируемого процесса, устройства аппаратов и возможностей установленного пакета программ.

Немаловажную роль играют программы, способные прогнозировать протекание технологического процесса в зависимости от свойств сырья, технологических параметров и т. д. Однако на сегодняшний день их не так много. Зачастую биотехнологический процесс связан со сложными физико-химическими, микробиологическими процессами, обсчет которых требует решения сложных дифференциальных уравнений с большим количеством переменных. Число и степень влияния каждого фактора также могут варьироваться. Поэтому даже программы, выполняющие сложные вычисления требуют корректного сбора первоначальных данных и квалифицированного обслуживающего персонала – специалиста в данной области производства дополнительно обученного работе с программным обеспечением.

Кроме того, информационные технологии включают работу с базами данных по нормативно-техническим документам, иными базами данных, различными информационными порталами и т.д. Что позволяет выпускать качественную продукцию, соответствующую ГОСТ (или другим нормативным документам), отслеживать тенденции развития отрасли, находить новые решения по оптимизации и совершенствованию производства, ориентироваться на потребности и вкусы потребителя.

Чтобы удовлетворять высоким стандартам качества, поддерживать конкурентоспособность продукции необходимо быть в курсе новшеств оборудования, сырьевых источников, пищевых добавок, технологий производства, рецептур, упаковочных материалов. Привлекательность, удобство товара для потребителя так же является составляющей качества и анализ потребностей, пожеланий, жалоб, поиск потенциальных покупателей так же может быть осуществим с помощью информационных технологий.

Весь спектр информации можно разделить на:

- переменную;

- условно-постоянную.

К переменной относятся данные, получаемые с различных датчиков, измерительных приборов, в том числе результаты органолептического анализа.

Условно-постоянная – это широкий спектр стандартов, норм, правил, методик, рецептур, законов, а так же базы данных научной, специальной литературы.

Обработка, учет и прогнозирование переменных данных требует наибольшего внимания, зачастую сложных расчетов, специализированного оборудования и высоко квалифицированного персонала. Применение различных компьютерных программ может значительно облегчить работу с этими данными. Однако под каждое конкретное производство необходим подбор определенного пакета программ, позволяющий оптимизировать контроль качества сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

Работу с условно-постоянной информацией существенно облегчают базы данных, в том числе, размещенные в открытом доступе в сети Интернет.

На определенном этапе развития предприятия возникает недостаток необходимой информации в удобной форме, обнаруживается избыток трудно сопоставимой информации, поступающей из разных подсистем. Оказывается, что для управления отдельными компонентами фирмы не хватает механизма оперативной оценки эффективности каждого из них. Кроме того, нередко отсутствует стратегическое планирование с эффективным контролем.

Для успешного развития производства нужна комплексная система управления с применением информационных технологий.

Существует три основных варианта решения проблемы внедрения информационных систем.

Первый путь – разработка системы «собственными силами». Этим путем идут многие организации, в частности представители малого бизнеса. Очень часто для автоматизации расчетов применяются процедуры, написанные средствами офисных программ (характерный пример – макросы для Excel). Однако при усложнении бизнеса, такие средства перестают удовлетворять, так как не предполагают управление данными, имеющими сложную структуру. Создание же полноценной системы требует не только расхода больших средств и времени. Необходимо еще централизованное грамотное стратегическое управление развитием проекта. А это по плечу лишь крупным организациям. Развивающимся фирмам своими силами разработать систему, которая могла бы продолжительное время ее обслуживать, нелегко.

Второй путь – приобретение универсальной системы или пакета прикладных программ. Выбор систем такого рода ограничивается, в основном, бухгалтерскими программами. Бухгалтерский учет имеет строгую и консервативную методологию. Несмотря на частые изменения законодательства, форм отчетных документов, принципы и структура данных остаются практически неизменными. Однако на сегодняшний день существует ряд программ, способных выполнять более широкие, специализированные функции. В основном, это программы, созданные на базе 1С или Excel.

Третий путь заключается в делегировании функций и полномочий по внедрению информационных технологий внешним организациям (аутсорсинг). Этот современный подход пока редко применяется в российских условиях. При правильном выборе фирмы-исполнителя достигаются ощутимые преимущества. Существуют и недостатки: ограничивается возможность развития системы, возникает зависимость от благополучия фирмы-исполнителя.

Системы автоматизации производства можно разделить на системы начального, среднего уровней и высшего класса.

Системы начального уровня широко распространены среди предприятий небольшого размера. Они довольно ограниченно охватывают бизнес-процессы предприятия.

В основном это бухгалтерские, складские и торговые системы. Пользователь может приобрести, установить и начать эксплуатацию самостоятельно.

В последнее время появляются программы с более широкими возможностями, что позволяет интегрировать такие системы с другими системами этого и более высокого классов.