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
|
