Использование данных для расчета и управления процессом биосинтеза
Получаемая с помощью датчиков информация о конкретном процессе микробиологического синтеза может быть использована для решения следующих технологических задач:
- Анализ и расчет технологических показателей процесса ферментации;
- Регулирование и управление по заданным параметрам данного процесса ферментации;
- Разработка математических моделей процесса ферментации с целью их оптимизации, масштабирования и оптимального проектного расчета.
Всю совокупность данных, получаемых инструментальными методами в процессе ферментации, можно условно разделить на две основные группы: I – физические и физико-химические; II – физиолого-биохимические.
К I группе относятся такие параметры, как расходы ингредиентов, вводимая мощность на перемешивание или число оборотов мешалки (n), уровень аэрации (Q), вязкость, поверхностное натяжение (s), рН среды и т.д.
Ко II группе относятся параметры, характеризующие концентрацию клеточной массы, органического субстрата в среде, содержание кислорода и углекислого газа в отработанном газе, соотношение фосфора, азота в среде и т.д. в зависимости от поставленной задачи расчета показателей процесса может использоваться определенная часть измеряемых параметров.
| Параметры | Обозначение |
| Измеряемые | |
| Для кинетических расчетов | X, S, P2O5, CL, YO2, YCO2, u |
| Для массообменных расчетов | pO2, CL, t°, P, V, QO2, YO2, YCO2, n |
| Расчетные | |
| Для кинетических расчетов | Rx, aS, RS, m |
| Для массообменных расчетов | QO2, QCO2, aCO2, KLa |
Где Rx – скорость образования биомассы (целевого продукта), Rx=mx;
RS – скорость потребления субстрата (элемента питательной среды, N, P2O5), RS=aSmx;
KLa – объемный коэффициент массопередачи;
QO2/QCO2 – скорость потребления (выделения) кислорода (углекислого газа);
aO2 (aCO2) – удельное потребление кислорода (выделение углекислого газа).
Наличие в составе ферментационной установки системы разнообразных датчиков позволяет получать текущую информацию в процессе биосинтеза. Однако при этом возникает проблема сбора и обработки данных.
Успешное решение этой проблемы достигается подключением к ферментеру компьютера, выполняющего следующие функции:
Отображение процесса – предусматривает сбор информации и датчиков и ее представление в удобном для оператора виде. Поступающая информация может накапливаться в памяти и периодически по мере надобности выдаваться;
Обработка информации – подразумевает проведение статистического анализа, оценку достоверности данных, получение корреляционных и регрессивных зависимостей для параметров процесса – это новый уровень предоставления информации о процессе в виде комплексных показателей.
Схема использования комплекса «ферментер – контроллер»
Анализ целого ряда физико-химических и физико-биохимических характеристик процесса осуществляется в соответствии с определенной схемой.
Измеряемые параметры при организации процесса биосинтеза в ферментере:
- Аэрация – расход воздуха, температура, давление, концентрация кислорода на входе и выходе, концентрация углекислого газа на входе и выходе;
- Перемешивание – скорость вращения, вкладываемая мощность, плотность, вязкость и газосодержание среды;
- Ферментация – концентрация клеток (начальная и текущая), субстрата, продуктов метаболизма, температура, рН среды, концентрация растворенного кислорода.
Расчетные параметры, получаемые с использованием ПО:
Кинетические – скорость роста клеток, скорость утилизации субстрата, удельная скорость образования целевого продукта;
Массообменные – коэффициенты массопередачи, кислородный баланс, скорость транспорта кислорода и углекислого газа;
Стехиометрические – удельное потребление кислорода, выделение углекислого газа на единицу клеточной массы, дыхательный коэффициент, удельное выделение продуктов метаболизма.
Дата добавления: 2017-03-29; просмотров: 532;