ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Основные положения системного анализа из "Моделирование и системный анализ биохимических производств" С позиций системного анализа решаются задачи математического моделирования на ЭВМ, при этом полная математическая модель биотехнологической системы может быть представлена в виде иерархической структурной модели, где на каждом уровне имеется описание своего класса явлений. Применение такого подхода к изучению сложных БТС позволяет целенаправленно использовать и систематизировать исследования, получаемые в лабораторных, опытных и промышленных условиях для разработки модели БТС в целом. Полученная таким образом математическая модель используется затем для оптимизации биотехнологического производства при его функционировании, а также на стадии проектирования биохимических производств. [c.17] К основным положениям системного анализа, позволяющим решать указанные задачи, можно отнести следующие [10, 14, 15] четкую формулировку цели исследования постановку задачи по реализации этой цели определение критерия эффективности разработку стратегии исследования с определением основных этапов в решении целевой задачи пропорционально-последовательное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов и возможных направлений организацию последовательных приближений и повторных циклов исследований на отдельных этапах принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении частных и общей задач. [c.17] Рассмотренный системный подход к исследованию БТС применим также при изучении отдельных ее подсистем и элементов. В последнем случае отдельные элементы БТС рассматриваются как сложные системы с характерными составляющими, определяющими поведение системы на микро- и макроуровнях. [c.17] Иерархическая структурная схема БТС в зависимости от степени ее детализации может охватывать большое число уровней, начиная от ферментативных реакций на уровне отдельных клеток и кончая уровнем функционирования целых подсистем, например ферментация, разделение микробиологических суспензий и т. д. Однако количественный анализ такой структурной схемы в целом с использованием методов математического моделирования представляет собой сложную задачу. С практической точки зрения более эффективно при анализе системы выделить в иерархической схеме ближайшие уровни, описывающие поведение основных подсистем и элементов БТС. Элементами БТС являются условно неделимые единицы — технологические аппараты, в которых осуществляется целенаправленное протекание технологических процессов физической, химической или биохимической природы. К таким аппаратам относятся инокулятор — аппарат для получения засевной биомассы микроорганизмов биохимический реактор — аппарат для проведения процесса микробиологического синтеза флотаторы, центрифуги, сепараторы — аппараты для разделения микробиологических суспензий и др. [c.18] Между отдельными элементами БТС имеется функциональная взаимосвязь. Элементы взаимодействуют между собой и с окружающей средой в виде материального, энергетического и информационного обмена. На уровне элементов БТС реализуются типовые процессы преобразования вещества и энергии, например, механические в смесителях, биохимические в биореакторах, тепловые в теплообменниках, стерилизаторах и т. д. В соответствии со стратегией системного анализа на уровне отдельных элементов схемы ставится задача получения функционального оператора или модуля, представляющего собой математическую модель типового технологического процесса. В зависимости от функциональной сложности технологического элемента для его описания могут быть использованы один или несколько типовых операторов, приведенных на рис. 1.9. [c.18] Условия функционирования узла следующие. В биореактор поступают потоки питательной среды /.], нейтрализующего агента 2 и культуральной жидкости L (после сепарационного разделения последний содержит определенное количество клеток микроорганизмов). В отводимом из сепаратора потоке Ц находятся концентрированная биомасса микроорганизмов и некоторое количество неутилизированной питательной среды (субстрата). Поток суспензии микроорганизмов из биореактора в сепаратор обозначим з. Биореактор имеет систему охлаждения II, обеспечивающую поддержание заданной температуры процесса ферментации в условиях выделения тепла при реакции биосинтеза. Суспензия микроорганизмов при сепарации дополнительно подогревается. Биореактор представлен в виде трех операторов — I — смешение , II — теплообмен , III — биохимический синтез , а сепаратор в виде двух операторов — IV — теплообмен и V — разделение . [c.19] Матричный метод анализа БТС состоит в объединении матриц преобразования отдельных технологических операторов в соответствии с технологической топологией и структурой схемы. [c.20] В качестве примера расчета подсистемы разделения микробиологической суспензии рассмотрим операторную схему рис. 1.11, включающую три последовательно соединенных технологических аппарата — два флотатора и один сепаратор. Для формализованного описания этих аппаратов используется оператор разделение . [c.21] Основу для решения задач оптимального расчета и синтеза БТС составляет математическая модель системы, разработанная с учетом иерархического блочного принципа. При этом, основываясь на выработанных показателях эффективности (критериях оптимизации), решаются вопросы оптимального проектирования, оптимального функционирования и управления системы. Системный подход при этом позволяет подняться от изучения отдельных процессов и явлений в элементах БТС до рассмотрения сложной иерархической системы — БТС в целом, используя методы моделирования и формализации физических, химических и биохимических процессов. [c.24] Оптимизация БТС осуществляется с использованием известных методов оптимизации сложных систем [14, 17], реализация которых включает общий анализ задачи оптимизации определение критерия оптимизации и выбор оптимизирующих параметров анализ влияния параметров математической модели на критерий оптимизации организацию оптимальной стратегии оптимизации выбор метода оптимизации и проведение оптимального расчета. Качество и эффективность функционирования БТС при этом в значительной степени зависит от обоснованного выбора показателя эффективности — критерия оптимизации системы. [c.25] Б единицу времени объем капитальных вложений Ф (фонды) в данное производство эксплуатационные расходы Э (текущие затраты) на осуществление процесса. При этом качественные показатели целевого продукта либо выступают как ограничения на экономический критерий, либо приводят к дискретным изменениям себестоимости продукции (сортности). [c.26] Ра = КН, где Я — норма амортизации. [c.26] При производстве нескольких видов продукции (/—1, 2,. .. [c.27] Кинетический, массообменный, гидродинамический и др. [c.29] Процессы биохимического синтеза происходят со значительным выделением тепла. Так, в процессах выращивания биомассы микроорганизмов величина удельного тепловыделения а на 1 кг биомассы дрожжей, кДж/кг (величина а изменяется в зависимости от соотношения энергетического и конструктивного обмена в клетках) [18] для различных углеродсодержащих субстратов составляет меласса — а = 9,8-10 этанол — а = 22,0-10 н-парафин 9 = 26,0-10 метанол — а9 = 34,0 10 метан — 9 = 67,0-10 . [c.31] Для современного биохимического производства кормовых дрожжей из н-парафинов нефти мощностью 100 тыс. т биомассы в год общее количество выделяемого при биосинтезе тепла составит порядка 325.10 кДж/ч. Проблема использования этого тепла на сегодняшний день остается нерешенной. Сложность задачи заключается также в сравнительно низких рабочих температурах процесса биосинтеза (32—36°С),что приводит к значительным расходам охлаждающей воды в теплообменных устройствах. [c.31] Таким образом, термоэкономическая оптимизация является комбинацией эксергетического подхода к анализу технологической системы и методов экономической оптимизации. Рассмотрим далее некоторые примеры формирования технологических и технико-экономических критериев оптимизации и применение их для выбора эффективной схемы БТС или ее подсистемы. [c.32] Известен ряд работ, где для управления процессом ферментации используют оптимальные подпитки субстратом в ходе периодического процесса ферментации [3, 28], оптимальный температурный профиль [23, 27], изменения рОг среды в течение режима ферментации [25]. При рещении указанных задач применяют такие методы оптимизации, как принцип максимума Понтрягина, динамическое, нелинейное программирование. [c.33] Полученное условие определяет стратегию оптимального управления процессом при нефиксированном времени. [c.34] Графический метод решения рассмотренной задачи оптимизации подробно дан в работе [16]. На рис. 1.13 приведена программа оптимального изменения температуры в процессе биосинтеза пенициллина с использованием вышеуказанного метода. [c.34] Вернуться к основной статье