Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 12
1.1. Специфические особенности проектирования биотехнологического оборудования 12
1.2. Методы оцешш и управления качеством технических систем при проектировании 16
1.3. Структурно-функциональный анализ средств технического обеспечения процессов биосинтеза 23
1.4. Проектирование технических средств в биотехнологии . 34
Выводы 36
2. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 38
2.1. Постановка задачи синтеза. 39
2.1. Метод синтеза исходной модели 62
2.3. Метод управления качеством биотехнологического оборудования на ранних стадиях разработки 65
2.4. Проектирование устройств и систем в биотехнологии на основе эвристических подходов 70
2.5. Объекты и этапы проектирования. Рекомендации по вы бору метода исвледования 75
2.6. Общая характеристика методологии проектирования 79
Выводы 82
3. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ УСТАНОВОК ДЛЯ КУЛЬВ-ЮИРОВАЕИЯ МИК
РООРГАНИЗМОВ НА РАННИХ СТАДИЯХ ИХ РАЗРАБОТКИ 84
3.1. Функционально-структурная модель лабораторной ферментационной установки 85
3.2. Основные цели и организация управления качеством лабораторной установки при проектировании 90
3.3. Управление качеством ЛФУ при решешш задач первичного исследования 93
3.4. Управление качеством ЛФУ при оптимизации процесса биосинтеза целевого продукта 99
3.5. Оценка качества лабораторных ферментационных установок по значению обобщенного показателя качества 103
3 Выводы 107
4. ПОИСК ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ И КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА 108
4.1. Синтез структуры автоматического устройства для отбора проб культуры 108
4.2. Синтез технических решений устройства для автоматической подготовки пробы для анализа 118
4.3. Синтез технических решений системы контроля процессов накопления биомассы. 121
Выводы 141
5. РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В АППАРАТУРЕ
ДНЯ ИССЛЕДОВАНИЯ: ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА 143
5.1. Устройство .для отбора проб культуры 143
5.2. Устройство для автоматической подготовки пробы для анализа 147
5.3. Система контроля процессов накопления биомассы 151
5.4. Использование разработанных устройств в составе автоматизированных биотехнологических комплексов 163
Выводы 166
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 167
ПРМОНЕБЇЇЯ 170
ЛИТЕРАТУРА 187
- Специфические особенности проектирования биотехнологического оборудования
- Постановка задачи синтеза.
- Функционально-структурная модель лабораторной ферментационной установки
Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение выпуска и снижение себестоимости продукции промышленной микробиологии и биотехнологии неразрывно связаны с необходимостью повышения эффективности научных исследований, которая, в свою очередь, в значительной степени зависит от количественного и качественного состава применяемых технических средств. Создание высококачественного биотехнологического оборудования, включая аппаратуру для лабораторных исследований, является сложной комплексной проблемой, актуальность решения которой неоднократно подчеркивалась в постановлениях Партии и Советского правительства.
Биотехнологические комплексы, предназначенные для изучения процессов роста и жизнедеятельности микроорганизмов, характеризуются многообразием взаимосвязанных и, подчас, противоречивых свойств. На параметры и условия функционирования элементов и модулей, составляющих системы культивирования, накладывается множество специфических ограничений и требований, обусловленных особенностями физической природы самого объекта исследования.
В настоящее время существует большое число подходов к проектированию технических систем, начиная от традиционных методов "проб и ошибок" и кончая методами оптимального проектирования. Первые связаны со значительными временными и материальными затратами и не отвечают требованиям сегодняшнего дня. Вторые требуют строгой формализации всех (или большинства) процессов, протекающих в проектируемой системе. Эти методы основываются на основных положениях классического научного подхода [50] : - получаемые закономерности должны обладать свойством абсолютности, т.е. возможностью быть воспроизведенными в сравнительно широких масштабах пространства и времени; любой сложный объект может быть понят только на основе детального представления о принципах и законах функционирования основных составляющих его единиц.
Другими словами, при использовании полностью формализованных методов объект проектирования представляется в виде замкнутой системы с детерминированными входными и выходными переменными.
Большинство биологических процессов может протекать множеством альтернативных путей, поэтому предсказание в биологии носит явно выраженный вероятностный характер; при этом неопределенность связана, в основном, с недостатком информации как о состоянии самого объекта и условий внешней среды, так и об их взаимодействии [13, 49] . Недостаточная изученность причинно-следственных связей и, следовательно, необходимость учета множества дополнительных факторов при разработке применяемых в биотехнологии и микробиологии технических устройств обусловливает необходимость представления последних с позиций системного подхода, что, в свою очередь, требует создания новых способов проектирования, включающих методы анализа и оценки эффективности возможных путей совершенствования образцов новой техники, а также современные методы синтеза новых и улучшенных технических решений. При этом для целей практики весьма важным является уменьшение "веса" формальных математических процедур в пользу практических методов инженерного синтеза, т.е. методов, позволяющих осуществить практическое проектирование и внедрение технических устройств и систем.
Актуальность решения прикладных задач биотехнологии по разработке и отладке технологических регламентов производства про - 6 дуктов микробного синтеза, являющихся главной целью лабораторных исследований, определяет необходимость использования разработанных методов для создания аппаратуры автоматизации и контроля процессов ферментации.
Не менее важной задачей является практическая реализация разработанных конструкций и их использование при исследовании процессов роста и жизнедеятельности микроорганизмов. Цель работы. На основании изложенных соображений основную цель работы можно сформулировать следующим образом: разработка методологической основы проектирования биотехнологического оборудования и ее применение при создании ферментационной аппаратуры для лабораторных исследований.
Исходя из комплексности сформулированной проблемы для достижения цели в работе ставятся следующие основные задачи:
1. Исследование специфических особенностей проектирования биотехнологического оборудования и определение основных требований к методам анализа и синтеза аппаратуры для изучения биосинтетических процессов;
2. Разработка методов анализа биотехнологического оборудования, включая количественную оценку качества различных устройств и систем;
3. Разработка общих принципов управления качеством технических средств на этапе проектирования и их применение для оптимизации лабораторных ферментационных систем;
4. Разработка нового специализированного эвристического метода поиска новых и улучшенных технических решений;
5. Поиск технических решений систем автоматизации и контроля процессов биосинтеза;
6. Реализация полученных технических решений в исследовательской аппаратуре для управляемого культивирования микроорганизмов.
Представленная работа выполнена в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой 0.Ц.027 (задания 06.19 и 06.20), утвержденной Постановлением Государственного комитета по науке и технике, Госплана СССР и АН СССР Ш 474 от 12 декабря 1980 года.
Тема диссертации связана со следующими научно-исследовательскими работами, входящими в план БЩ биоавтоматика и выполненными в период с 1979 по 1984 г.г.
1. Разработка и изготовление АСУ блока управления ферментацией (НИР - ИЧП-0979).
2. Разработка опытного образца комплекса "ЭВМ - ферментер", предназначенного для изучения и интенсификации процессов микробиологического синтеза (НИР - 265-35/82, В г.р. 0I8300062I8).
Прикладные результаты работы использованы при выполнении целевой отраслевой программы "Автоферм-I" и хоздоговорной темы "Разработка и изготовление системы "Ферментер - блок управления" (0021/83).
Научная новизна работы подтверждается следующим:
- во-первых, на основе структурно-функционального подхода разработан новый метод анализа и оценки качества технических средств в биотехнологии, позволяющий сформировать обобщенный критерий цели при проектировании;
- во-вторых, разработаны общие принципы управления качеством биотехнологического оборудования на ранних стадиях разработки, что ранее не было сделано;
- в-третьих, разработан новый специализированный алгоритм синте - 8 за технических решений;
- в-четвертых, при решении задач практического проектирования использованы эффективные поисковые методы инженерного синтеза, которые ранее для указанных задач не применялись;
- в-пятых, получены новые технические решения систем автоматизации и контроля процессов биосинтеза, защищенные авторскими свидетельствами СССР на изобретение Ш 9I3I2I, 991230.
Практическая значимость работы заключается в том, что инвариантность основных элементов предложенной методологии позволяет решать задачи, связанные с созданием широкого класса биотехнологических устройств и систем различного уровня сложности и целевого назначения. Разработанный метод количественной оценки качества оборудования позволяет осуществить обоснованный выбор из нескольких альтернативных вариантов технических решений наиболее предпочтительного для конкретных условий, что значительно повышает эффективность разработок. Полуформализованный метод синтеза технических решений дает возможность сократить сроки проектирования новых устройств и систем .
Применение разработанной методологии проектирования позволило осуществить синтез -значительного числа технических решений, большая часть которых доведена до уровня макетных и промышленных образцов.
Практическое использование разработанных технических средств в составе установок серии "Фермус" и автоматизированного биотехнологического комплекса "Автоферм-I не только снизило объем ручного труда обслуживающего персонала, но и существенно повы - 9 сило возможности оборудования в плане повышения точности контроля и эффективности управления биосинтетическими процессами.
Состав работы. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений и списка использованной литературы.
Во введении показана актуальность и сформулирована цель работы. Кроме того, приведены задачи исследования, связь работы с государственными программами и планами, новизна и практическая значимость, состав работы и выносимые на защиту вопросы.
В первом разделе выявлены специфические особенности биотехнологического оборудования как объекта проектирования и определены основные требования к методам анализа и синтеза технических средств, применяемых в микробиологии и биотехнологии. Проведен анализ состояния разработок в области аппаратурного оснащения процессов биосинтеза. Очерчены основные задачи использования различных типов приборов для исследования процессов культивирования микроорганизмов. Рассмотрены существующие подходы к проектированию технических устройств и систем и исследована возможность их применения при разработке ферментационного оборудования. Показано, что, за исключением оптимизации геометрических параметров биореакторов, для проектирования устройств и систем в биотехнологии поисковые методы инженерного синтеза до настоящего времени не применялись.
Во втором разделе работы описана методология проектирования биотехнологического оборудования, включающая функционально-структурный анализ технических систем, метод количественной оценки качества биотехнологического оборудования, метод построения исходной модели (структуры) устройства, метод управления качеством аппаратуры на ранних стадиях разработки, а также поис -10 ковые методы синтеза и рекомендации по их использованию при разработке объектов различного уровня сложности. Описан разработанный эвристический алгоритм поиска новых и улучшенных технических решений. Кроме того, приведены примеры формирования обобщенного показателя качества трех различных классов биотехнологических систем: лабораторной ферментационной установки, системы контроля параметров биосинтетического процесса, устройства для автоматизации механических операций при культивировании.
Третий раздел работы посвящен анализу лабораторных установок для культивирования микроорганизмов. Приведена функционально-структурная модель системы, отражающая взаимозависимость единичных показателей качества объекта и его технических характеристик. Количественно обоснован выбор наиболее эффективных управляющих воздействий на структуру лабораторной ферментационной установки при первичном исследовании роста и жизнедеятельности микроорганизмов, а также при оптимизации биосинтеза целевого продукта и автоматическом управлении процессом.
В четвертом разделе работы на основе разработанной методологии проектирования производится поиск технических решений систем автоматизации и контроля процессов культивирования микроорганизмов. С помощью эвристических методов поискового конструирования осуществлен структурный синтез устройства для автоматического отбора проб культуры из ферментера, устройств для автоматической подготовки пробы для анализа и системы контроля процессов накопления биомассы.
В пятом разделе показана практическая реализация полученных техничесішх решений и их использование в биотехнологической аппаратуре для научных исследований. Приведены некоторые обобщенные результаты измерения оптической плотности культуральных суспензий при ферментации.
В приложении содержится перечень основных понятий и терминов, использованных в работе, а также разработанный фонд эвристических приемов и справки о практическом использовании полученных устройств.
В списке использованной литературы содержится 139 наименований научно-технических источников отечественной и зарубежной литературы.
Основные результаты работы доложены на итоговых межотраслевых конференциях "Виосинтез-82" и"Биосинтез-83", школе-семинаре "Биотехнология микроорганизмов", Всесоюзной конференции "Биосинтез-85" /Горький, I982-1985 г.г./ и заседании секции "Управление микробиологическими процессами" Всесоюзного микробиологического общества /Москва, 1985/, а также опубликованы в 5 печатных работах. Результаты работы защищены авторскими свидетельствами на изобретение.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Методология проектирования биотехнологического оборудования, включающая разработанные метода анализа и синтеза технических систем ;
2. Применение разработанной методологии при создании устройств и систем различного уровня сложности ;
3. Практическая реализация полученных технических решений и их использование при решении исследовательских биотехнологических задач.
Специфические особенности проектирования биотехнологического оборудования
В микробиологических производствах популяции микроорганизмов находятся в искусственных условиях. Эффективность биотехнологических процессов зависит от соответствия этих условий особенностям превращения веществ, характерным для данного вида микроорганизмов. Эти особенности проявляются в комплексе признаков, используемых с целью определения оптимальных физико-химических условий ведения биотехнологического процесса. Организация оптимального управления процессом в условиях непрерывного изменения параметров окружающей среды и отклика на эти изменения клеток -задача достаточно сложная, и успешное ее решение связано с необходимостью всестороннего изучения физиологических особенностей исследуемых микроорганизмов, т.е. с необходимостью получения максимального объема информации о состоянии культуры на разных стадиях роста [16,75] .
В настоящее время наряду с традиционно развивающимися экспериментальными методами интенсификации микробиологических производств широкое применение находит метод математического моделирования, позволяющий, в ряде случаев, сократить затраты на нахождение оптимального режима ферментации. Применение методов математической теории управления в биотехнологии открывает перед исследователем качественно новые возможности, в плане решения прикладных задач промышленной микробиологии и биотехнологии.
Сочетание экспериментального и математического методов исследования является необходимым условием успешного изучения процессов роста и жизнедеятельности микробных популяций. И, если бурное развитие средств вычислительной техники неизбежно ведет к созданию новых эффективных способов и алгоритмов управления на основе математических моделей, все более полно описывающих процессы, то их практическое использование сдерживается недостаточным уровнем развития экспериментальной базы, особенно в части аппаратно-технического обеспечения исследований.
Трудности разработки биотехнологического оборудования различного уровня сложности и целевого назначения обусловлены специфическими особенностями самого объекта исследования, в частности, недостаточной его изученностью. Большинство биологических процессов могут протекать множеством альтернативных путей, в связи с чем предсказание событий в биологии носит вероятностный характер [ІЗ] , В живом организме изменение какой-то одной переменной, вызванное изменением условий окружающей среды, происходит при одновременном изменении множества других переменных, которые, в свою очередь, влияют на первую. И хотя общий наблюдаемый эффект может быть весьма значительным, вклад каждого внутреннего фактора оказывается трудноразличимым. Поэтому для адекватного отображения функционирования объектов живой природи, необходимо рассматривать их во всем многообразии присущих им свойств и при этом учитывать внешние условия, т.е. пользоваться методами системного подхода.
Постановка задачи синтеза
В настоящее время наиболее удобной формой представления технических систем является иерархическое описание их функций и свойств, а также отражающих эти свойства показателей качества, причем каждый уровень иерархии представляет собой совокупность комплексных свойств, объединяющих некоторые родственные свойства нижележащего уровня (рис.2.1) [26,69,71]. Многие из этих свойств являются общими для различных классов аппаратуры, поэтому принадлежность к тому или иному классу характеризуется, в основном, специфической для каждого объекта совокупностью функциональных показателей. Поскольку установление этой совокупног сти является необходимым элементом задачи синтеза, в работе предлагается способ функционального анализа проектируемой системы, включающий выполнение следующих этапов:
1. Исходя из назначения и сущности системы формулируется понятие основной потребности, которую она должна удовлетворять (например, увеличение знания об условиях жизнедеятельности микроорганизмов; управление какими-либо параметрами процесса культивирования и т.д.).
class3 УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ УСТАНОВОК ДЛЯ КУЛЬВ-ЮИРОВАЕИЯ МИК
РООРГАНИЗМОВ НА РАННИХ СТАДИЯХ ИХ РАЗРАБОТКИ class3
Функционально-структурная модель лабораторной ферментационной установки
Конечной целью экспериментальных исследований в биотехнологии является выбор и практическая реализация управления процессом ферментации для обеспечения оптимальных условий синтеза целевого продукта. Достижение этой цели предусматривает выполнение следующих основных этапов:
1. Изучение процесса как объекта управления; выбор контролируемых параметров и управляющих воздействий (задача первичного исследования) ;
2. Разработка и практическая реализация алгоритма оптимального управления биосинтезом целевого продукта.
Осуществление этих этапов различается не только по способам решения стоящих задач, но и по составу комплекса применяемых технических средств, во многом определяющему эффективность научных разработок.
На рис.3.1 изображена заимствованная из работы [14] обобщенная схема процесса ферментации как объекта управления. Входными переменными являются параметры среды обитания микроорганизмов (параметры условий процесса), которые можно изменять путем подачи соответствующих управляющих воздействий. Выходные переменные характеризуют скорость протекания отдельных подпроцессов.
