УДК 62-50:663

К вопросам изучения особенности производственных        объектов с экстремальными состояниями

Исмаилов М.А, д.т.н., профессор, г. Ташкент, РУз, Исмайылов  А.Е. , к.т.н., Айтуганова Ж.Т., г. Алматы, РК, box_email61@mail.ru

К основным задачам микробиологической биотехнологии относится теоретическое и экспериментальное обоснование методов и режимов, обеспечивающих воспроизводимое получение популяций микроорганизмов и целевых продуктов их жизнедеятельности с заданными свойствами в оптимальных условиях. Результаты изучения закономерностей служат научной основой создания микробиологических производств, а также специфического оборудования, приборов и СУ, необходимых для получения, хранения и обработки информации [1].

Процессы микробиологического синтеза имеют различные экстремальные состояния и используются для получения:

- микробной биомассы (дрожжей, микроводорослей, белково-витаминного концентрата  и др.);

- биохимических продуктов сложного строения, выделяемых микроорганизмами в процессе культивирования или получаемых из биомассы (антибиотиков, витаминов, органических кислот, ферментов, спиртов и др.);

- химических продуктов, образующихся в результате превращений с использованием ферментативной активности микроорганизмов и их компонентов (аминопенициллиновой кислоты и др.);

- очищенных от нежелательных компонентов сред (осветленных сточных вод, депарафинизированной нефти и др.);

- ценных металлов, выделенных с помощью микробиологического выщелачивания металлов из руд.

Разнородные производства на основе микробиологической технологии носят многостадийный характер и включают наряду с микробиологической стадией большое число других состояний и процессов.

Основным методом исследования многостадийных объектов с экстремальными состояниями является математическое моделирование. Существующие модели можно разделить на три типа: физические, вещественно-математические и логико-математические.

Физические модели имеют природу, сходную с природой изучаемого объекта, и отличаются от него лишь размерами, скоростью течения исследуемых явлений и иногда материалом. Вещественно-математические модели имеют отличную от прототипов физическую природу, но допускают одинаковое с оригиналом математическое описание. Логико-математические модели - это модели, которые строятся как исчисления, с которыми затем по принятым в системе точным логическим правилам производятся операции, необходимые для достижения поставленной цели.

Физические модели широко используются в физико-химической биологии. Это, главным образом, физические модели макромолекул - ДНК, РНК, белка, с помощью которых макетируются способы связей между элементами, образующими макромолекулы, а также модель рибосомы, предложенная в работе [2]. В биотехнологии микробиологического синтеза процесс культивирования микроорганизмов - это физическая модель промышленного производства [1,2].

Вещественно-математические модели применяются в биотехнологии микробного синтеза в виде систем дифференциальных уравнений различной степени сложности [3].

В процессе исследования многостадийных производственных процес­сов с экстремальными состояниями происходят непрерывная транс­фор­мация моделей изучаемого объекта, их усложнение и изменение характера.

На основе данных, полученных из анализа литературных источников и предварительно проведенных экспериментов, исследователь строит гипотезу о наиболее существенных факторах процесса микробиологического синтеза. Гипотеза, как правило, формулируется словесно и представляет собой описательную модель на естественном языке. Затем осуществляется постановка эксперимента, физическое моделирование биотехнологического процесса, на основе результатов которого подтверждаются или опровергаются первичные гипотетические представления о ходе процесса микробиологического синтеза. Полученные результаты затем используются как в лабораторной, так и промышленной биотехнологической практике.

В случае применения математического моделирования наряду с другими методами исследователь после описательной модели создает вещественно-математическую модель, как правило, в виде систем дифференциальных уравнений, на основе которого после ее идентификации и проверки адекватности осуществляется поиск оптимального режима биотехнологического процесса.

Преимущество количественного теоретического подхода перед эмпирическим заключается в том, что после получения адекватной математической модели оптимальный биотехнологический режим выбирается на основе расчетов по математическому описанию (на основе имитации биотехнологического процесса), а экспериментально проверяется только лучший из найденных режимов, который рекомендуется к практическому использованию.

В настоящее время имеется большое количество работ по математическому моделированию биотехнологических процессов микробиологического синтеза, начиная от моделей накопления биомассы, антибиотиков, аминокислот [1,2] и других продуктов жизнедеятель­ности микроорганизмов и кончая моделями, учитывающими возрастную структуру популяции, автоселекцию и адаптацию микробных сообществ [1]. Математические описания основываются на законах биохимии и уравнениях ферментативного катализа.

Центральным моментом построения уравнений является фиксация ключевых реакций, скорость протекания которых ограничивает интенсив­ность накопления целевого продукта. В настоящее время подобная методо­логия [3] широко используется при моделировании биотехнологи­ческих процессов микробиологического синтеза. Следует подчеркнуть, что работы [3] положили начало исследованиям внутриклеточных факторов регуляции процессов микробиологического синтеза. Тем самым от функционального подхода был сделан переход к структурно-функциональ­ному, когда наряду с различными внешними состояниями в системе анализируются характеристики внутреннего состояния и изучается их связь с входными и выходными переменными. В работах [2] эти идеи получили свое развитие с точки зрения математического моделирования.

Любое экспериментальное изучение биотехнологических процессов микро­биологического синтеза складывается из двух этапов. На первом этапе  выбирается: 1) объект культивирования - конкретная популяция, которая обеспечивает накопление целевого продукта; 2) установка для культиви­рования данного объекта; 3) исходная питательная среда; 4) способ культи­виро­вания - периодический или непрерывный с конкретизацией способа регулирования скорости роста популяции микробов в ферменте (режим-хемостат, рН-стат, турбидостат, оксистат или другие варианты); 5) условия культивирования по регулируемым параметрам.

После этого переходят ко второму этапу - экспериментальному изуче­нию динамики накопления целевого продукта микробиологического синтеза. Для изучения динамики изменения состояний и причинно-следственных связей в объекте используются биохимический, морфологический, физико-хими­ческий, генетический и физиологический методы описания. Коли­чественные результаты эксперимента выражаются в виде динамических кривых роста популяций, потребления экзогенных субстратов, синтеза эндо­генных низко- и высокомолекулярных соединений, накопления продуктов жизнедеятельности, применения морфологических, физико-химических и генетических параметров микробной популяции.

Следует подчеркнуть, что в случае большого числа состояний и взаи­мо­связей, входных и выходных переменных в исследуемой системе изуча­емый объект помещается в экстремальные условия путем лимити­рования или ингибирования жизнедеятельности микробной популяции компо­нен­тами среды обитания. Это позволяет установить динамику измене­ния состояний и причинно-следственные связи между трафиком микробных клеток, их метаболизмом и скоростью изменения концентрации целевого продукта.

Литературы

1.   Балакирев В.С., Володин В.М., Цирлин А.М. Оптимальное управление процессами химической технологии. - М.: Химия, 1987. - 384 с.

2.   Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере. - М.: Академия, 2003. - 512 с.

3.   Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в биотехнологии. В 2 ч. Пер. с англ. - М.: Мир,  1990.  Ч.2. - 400 с.