Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем. Дворецкий Д.С - 18 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

2 Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов
– некоторые из которых выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в
биомассе (внутриклеточные продукты). В этих случаях производство существует ради получения таких
продуктов, а не самой биомассы, которая часто является балластом.
3 Биотрансформация – процесс, в результате которого под воздействием биологической деятель-
ности микроорганизмов или ферментов происходит изменение химического состава исходного химиче-
ского вещества. Примером процесса биотрансформации является превращение глюкозы во фруктозу
под воздействием фермента глюкоизомеразы или глицерина в диоксиацетон под воздействием глюко-
нобактерий.
4 Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ, которые являются загряз-
нителями. В ходе данных процессов биомасса микроорганизмов является промежуточным агентом. Та-
кие процессы применяют при биохимической очистке сточных вод.
5 Выщелачивание с помощью микроорганизмов, т.е. перевод в растворенное состояние некоторых
веществ, находящихся в твердых телах. Примером данных процессов является микробиологическое
выщелачивание металлов из руд в добывающей и металлургической промышленности.
6 Использование биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газов и за
счет этого создания, например, пористых материалов. Данные процессы широко используются в пище-
вой промышленности при приготовлении хлеба, пива или шампанского.
При математическом описании перечисленных процессов основная задача сводится к оценке реак-
ции микрореагентов на различные возмущающие факторы среды. При этом микрореагенты представ-
ляют собой весьма сложные объекты, математическое описание которых с традиционных представле-
ний применяемых для описания технологических объектов оказывается затруднительным и возможно
только на основе обширной системы допущений. В виду этого в последние десятилетия особой попу-
лярностью пользуется синергетический подход, разработанный Г. Никольсом и И. Пригожиным для не-
равновесных систем в химии и биологии [6]. Другим распространенным методом описания биотехноло-
гических микрореагентов является применение геометрических моделей, называемых клеточными ав-
томатами.
Клеточные автоматы были впервые рассмотрены фон Нейманом и Уламом в 1948 г. и позднее по-
пуляризированы Д. Конвеем в 1970 г. в виде игры «Жизнь». Особенностью клеточных автоматов явля-
ется то, что они представляют собой математическую идеализацию биологических систем, в которых
пространство и время дискретны, а физические параметры среды принимают конечное множество дис-
кретных значений [7].
Указанные математические модели широко используются для описания сложных биологических
процессов и систем, примерами которых могут являться: процессы мутации штаммов микроорганизмов,
сложные биохимические процессы (например, гликолиз), процессы эволюции экосистем и многие дру-
гие.
Однако в большинстве случаев математическое описание биотехнологических процессов может
быть решено посредством применения ряда упрощенных моделей. Наиболее часто используемыми яв-
ляются математические модели кинетики биотехнологических процессов, построенные по принципу так
называемых моделей «черного ящика» (рис. 3.1) [8].
n
S
S
S
.
.
.
2
1
n
P
P
P
.
.
.
2
1
Объект
Рис. 3.1 Схематическое изображение модели объекта
в виде «черного ящика»
В соответствии с этой моделью на входе в объект, который принципиально не рассматривался иначе
как линейные или нелинейные регрессионные уравнения или еще как аддитивно-решетчатые, задают
значения уровней входных факторов (начальных концентраций компонентов среды), на выходе – непо-
средственно значение параметра оптимизации.

Страницы