Контроль и управление биотехнологическими процессами; моделирование и оптимизация

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 осо- бенностей: 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 биологи­ческой 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.

Date: 2015-09-24; view: 1657; Нарушение авторских прав