Оптимизация процесса проектирования биотехнологических производств

Оптимизация процесса проектирования биотехнологических производств путем разработки элементов САПР

В настоящее время биотехнология в Украине и Российской Федерации характеризуется неконкурентоспособностью  и высокой импортозависимостью по важнейшим традиционным биотехнологическим продуктам — лекарственным препаратам и кормовым добавкам. Использование передовых информационных технологий (ИТ) может существенно улучшить данную ситуацию.

Среди информационных технологий системы автоматизации проектирования (САПР) занимают особое место. Программные комплекты САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows-NT, языках программирования С, C++, Java и других, современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД) и системах обмена данными в компьютерных средах. Математическое обеспечение САПР отличается множеством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта.

Конкурентоспособная себестоимость продукции биотехнологического производства закладывается на этапе проектирование производства. Предприятия, ведущие разработки без САПР, оказываются неконкурентоспособными вследствие как больших материальных и временных затрат на проектирование, так и невысокого качества проектов. Использование САПР необходимо для повышения эффективности труда инженеров; сокращения трудоёмкости проектирования и планирования; сокращения сроков проектирования; сокращения себестоимости проектирования и изготовления; повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования [7, 8].

В настоящее время в мире существуют различные элементы биотехнологических САПР, но по причине своей конфиденциальности они остаются недоступными для рядового проектировщика. Общедоступным можно считать лишь информационное обеспечение, размещенное во всемирной паутине, содержащее сведения в области биотехнологии (Medline, ScienceCitationIndex) и специализированные биотехнологические базы данных (БД) (DerwentBiotechnologyAbstracts, BioBusiness, Cell) [9].

Целью данной работы является создание элементов САПР на основе базы данных технологий биотехнологических продуктов в Microsoft Access и каталога типовых технологических и аппаратурных схем в Microsoft Visio. Такой выбор программного обеспечения объясняется легкодоступностью и распространенностью данных пакетов.

БД структурирована в виде классификации продуктов биотехнологии по их происхождению (микробные, растительные и животные), биотехнологиям производства и продуцентам (бактерии, грибы, дрожжи, клетки растений и животных). Каталог типовых схем состоит из стандартных блоков для построения технологической (предферментационные процессы, биосинтез, выделение, очистка и упаковка готового продукта) и аппаратурной (оборудование, трубопроводы, арматураи др.) схем.

Разработанная интерактивная САПР позволяет найти необходимую биотехнологическую информацию о заданном продукте и упрощает построение технологической и аппаратурной схем. База данных САПР открыта для редактирования и усовершенствования.

Одним из требований к проектируемым производствам является экономическая целесообразность выбора типового оборудования. Важнейшей стадией в проектируемой биотехнологии является стадия биосинтеза. Учитывая это,можно сказать, что ферментационные системы и оборудование —одна из основных составляющих биотехнологического процесса, как по сложности реализации, так и по влиянию на рентабельность производства. Рассматривая ферментационное оборудование и процессы в таком контексте, при проектировании нового биотехнологического производства важным становится решение проблем, связанных с оптимальным подбором конструктивных характеристик и технологических параметров работы ферментаторов [2, 3].

Одной из ключевых проблем использования оптимального типа ферментатора для решения конкретной биотехнологической задачи является так называемый «традиционный подход» при выборе ферментационного оборудования, когда ферментаторы выбираются по таким количественным критериям и параметрам, которые дают возможность достичь определенных технико-экономических показателей процесса, но при этом они не являются оптимальными для достижения максимальных результатов. Причиной этому послужила недостаточная координация между организациями, которые разрабатывали аппараты для похожих биотехнологических производств или продуктов. Объективная оценка сравнения таких аппаратов и их эффективности была затруднена, поскольку методики и условия испытаний достаточно часто отличались. К тому же не все проектные разработки масштабировались в  промышленные установки, что делало невозможным сбор эмпирических данных с целью оценки их эффективности [3].

Необходимо добавить, что существующие методы расчета и прогнозирования изменений технологических параметров ферментации до сих пор остаются несовершенными. Работы по усовершенствованию вычислительных алгоритмов с целью оптимизации периодических процессов микробного синтеза с нелинейной кинетикой роста микроорганизмов еще ведутся [5].

Один из путей решения данной проблемы заключается в создании и реализации алгоритма расчета глобального критерия оптимизации с целью выбора ферментатора для проведения периодического процесса микробного синтеза с использованием программного продукта MathCAD. На основе расчетного критерия оптимизации производится выбор ферментатора с оптимальными характеристиками из заданной совокупности возможных биореакторов, представленных в созданных БД.

В качестве глобального критерия оптимизации был использован аддитивный технико-экономический критерий  :

, где

Ф₁ — критерий, учитывающий затраты на использованный субстрат и другие компоненты питательной среды;

Ф₂ — критерий, учитывающий эксплуатационные затраты на проведение ферментации;

Ф₃ — критерий, учитывающий капитальные затраты на приобретение и эксплуатацию ферментатора.

,  где

а_і — удельный расходный коэффициент i-го компонента питательной среды, а_і рассчитывается по стехиометрическим коэффициентам биореакции и экономическому коэффициенту Y_x/s;

l_і  — цена i-го компонента питательной среды.

, где

N_г, N_р —затраты энергии на аэрацию и перемешивание;

V  —рабочий объем ферментатора;

x —концентрация микроорганизмов на выходе биореактора;

  — длительность ферментации;

Ц_е — цена за использованную электроэнергию.

Связь N_г, N_р с технологическими параметрами реализована через расход воздуха и гидродинамические условия перемешивания в ферментаторе, обеспечивающим заданный режим ферментации.

х и  определяются в ходе моделирования процесса периодического культивирования по модели Моно (в простейшем случае).

, где

К — капитальные затраты;

Е — коэффициент окупаемости.

Капитальные затраты определяются с учетом геометрических характеристик, массы аппарата, сложности изготовления [1, 6].

Математическая модель представлена системой уравнений для описания процесса культивирование микроорганизмов в ферментаторе периодического действия с интенсивной аэрацией и перемешиванием на основе модели Моно и модели идеального перемешивания среды при лимитировании процесса роста концентрациями субстрата и растворенного кислорода.

В качестве локального критерия при выборе ферментаторов был выбран объемный коэффициент массопередачи Kla, указывающий на возможность обеспечения объема питательной среды необходимым количеством кислорода с помощью данного аппарата.

Разработанная интерактивная MathCAD-программа играет роль инструмента для расчетов, входная информация организована в виде таблиц баз данных. Программу легко совершенствовать, поскольку код программы открыт, а БДреализована в доступном для большинства пакете MS Excel.

Выводы.Имеющийся опыт автоматизации проектирования биотехнологических  производств показывает, что автоматизированные системы перестали быть вспомогательными, отсутствие таких систем   ведет к снижению рентабельности биотехнологического производства [4].

Разработанные нами элементы САПР (базы данных биотехнологических продуктов,  каталог типовых технологических, аппаратурных схем, программа  по выбору ферментатора с оптимальными характеристиками) позволяют повысить качество и сократить трудоемкость проектирования, а также уменьшить себестоимость продукции путем использования экономически обусловленного типа ферментационного оборудования.

Список литературы:

1. Быков В.А., Винаров А.Ю., Шерстобитов В.В.  Расчет процессов микробиологических производств – К.: Техніка, 1985. – 245с.
2. Виестур У.Э., Кристапсонс М.Ж., Былинкина Е.С. Культивирование микроорганизмов. – М.: Пищевая промышленность, 1980. – 232 с.
3. Виестур У.Э., Кузнецов А.М., Савенков В.В. Системы ферментации. – Рига: Зинатне, 1986. – 174 с.
4. Волова Т. Г. Введение в биотехнологию. Версия 1.0: электрон. учеб. пособие  – Красноярск : ИПК СФУ, 2008 – 1 электрон. опт. диск (DVD).
5. Гордеева Ю.Л., Ивашкин Ю.А., Гордеев Л.С. Алгоритмы расчета показателей процесса микробиологического синтеза в периодических условиях культивирования // Вестник Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер: Управление, вычислительная техника и информатика. –  2011. – №2. – С.7-14.
6. Дворецкий С.И., Дворецкий Д.С., Муратова Е.И., Ермаков А.А. Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2005. – 80 с.
7. Малюх В. Н. Введение в современные САПР: Курс лекций. — М.: ДМК Пресс, 2010. — 192 с.
8. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. —  336 с.
9. Орловская Т.Т., Тележинская И.Н. Базы данных для биотехнологов / Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология».

Авторы статьи: Оптимизация процесса проектирования биотехнологических производств путем разработки элементов САПР / Герасименко В.А., Погребной Ю.Н., Карлаш Ю.В. // Научное сообщество студентов XXI столетия: материалы II Студенческой международной заочной научно-практической  конференции (Россия, г. Новосибирск, 16 апреля 2012 г.) — Новосибирск, 2012.

Материал статьи любезно предоставил Герасименко Всеволод Алексеевич.