Оптимизация биотехнологических процессов
Лекция № 28-29
І. Тема:Оптимизация технологических процессов биотехнологического производства целевых продуктов.
ІІ. Цель: Ознакомить студентов с оптимизацией технологических процессов биотехнологического производства целевых продуктов.
ІІІ. Тезисы лекции:
Современный биотехнологический процесс немыслим без применения ЭВМ для управления процессом ферментации, а именно для:
· Поддержания оптимального значения рН среды;
· Поддержания оптимальной температуры среды;
· Автоматического пеногашения;
· Регулирования частоты вращения мешалки;
· Контроля качества растворимого О2;
· Контроля за удалением СО2 из ферментера;
· Поддержания заданной скорости подачи субстрата и др.
ЭВМ используют для учета масштабного эффекта при оценке ферментационных параметров и поддержания их в оптимальном режиме, а также для проведения анализа при установлении влияния отдельных параметров на метаболическое поведение культур микроорганизмов. Процесс оптимизации требует варьируемого параметра, который надо оптимизировать удобными параметрами для вариаций служат (на выбор):
- общая продукция при ферментации в периодических условиях;
- образование продукта/ферментер·час;
- концентрация продукта в выходящем потоке (ферментация в непрерывном режиме);
- стоимость тонны продукта, выходящего из ферментера;
- стоимость тонны экстрагируемого продукта.
Компьютерный контроль очень важен для дозируемого добавления сырья и общего потребления энергии. Это особенно важно для ферментаций, в которых субстрат и сырье составляют главную стоимость.
Преимущество компьютерного контроля – это также быстрое и эффективное управление параметрами процесса, хранение и воспроизведение нужных данных, большая гибкость работы завода в соответствии со спросом на продукцию, наиболее надежный контроль загрязненности и безопасности на производстве.
Моделирование является одним из наиболее значимых направлений при разработке биотехнологических процессов, так как с помощью моделирования, экспериментального и математического, исследуются и разрабатываются новые процессы, совершенствуются аппараты и технологические схемы производств. При экспериментальном моделировании в лабораторных и промышленных условиях применяются, как правило, модели объектов и процессов, отличающиеся масштабами. Экспериментальное моделирование позволяет исследовать и оптимизировать процессы, сущность которых мало изучена. Данный подход часто служит единственным средством для исследования биотехнологического процесса. Первым этапом экспериментального моделирования служит лабораторный уровень, в ходе которого при сравнительно небольших затратах проводится изучение новых продуцентов и разработка новых процессов. Далее полученные результаты переносят в опытные, полупромышленные и промышленные масштабы. На опытных установках отрабатываются все технологические детали будущего процесса, обучается персонал, создается оборудование, уточняются технико-экономические показатели. Затем проводятся крупномасштабные дорогостоящие промышленные эксперименты и испытания.
Экспериментальное моделирование имеет ряд особенностей: трудоемкость, сложность реализации новой модели процесса. Наиболее трудны при этом вопросы масштабирования технологии и оборудования. Развитие биологических агентов связано не только с поведением жидкости и реагентов в ферментере, но и с их собственным метаболизмом. Поэтому масштабирование в биологии требует специальных решений, при этом до настоящего времени нет единого подхода к решению данной задачи.
Для оптимизации и управления биотехнологическими процессами, помимо экспериментального, необходимо также привлечение математического моделирования. Эти два подхода, дополняя друг друга, позволяют более эффективно решать поставленные задачи. Экспериментальное моделирование часто предшествует математическому, являясь для него источником информации. Математические модели – удобное средство обобщения экспериментальных данных. Наличие математических моделей позволяет более обоснованно подходить к планированию экспериментов и обрабатывать данные, существенно сокращать объем экспериментальных работ. Для моделирования и расчета биотехнологических процессов в силу их сложности применяют системный подход. Математическая модель сложной биосистемы должна включать описание различных по своей природе объектов и явлений. Поэтому, анализируя биологическую системы в целом, применяют метод декомпозиции, расчленяя исходную систему на ряд подсистем: строятся модели массообмена, кинетики роста биообъекта и биохимических процессов. К настоящему времени разработано много моделей массообмена, кинетики потребления субстрата и образования различных продуктов. Наиболее сложная задача – моделирование собственно биологических объектов, так как они значительно сложнее химических, физических и технических. Объекты биотехнологии способны к саморегулированию, их сложность усугубляется неоднородностью. Процессы, протекающие в биореакторе, зависят не только от сложных внутриклеточных факторов, но и от условий внешней среды; в свою очередь, внешние процессы в биологии связаны с внутренними, поэтому их разделить нельзя. Кроме этого, на данном этапе уровня развития математической биологии отсутствует теория, адекватная сущности биологических процессов. Пока не создан математический аппарат, способный описать природу биологических превращений во всем многообразии, то есть необходимо развитие и совершенствование самого математического аппарата. Математическое описание биологических объектов дополнительно осложняется их недостаточной изученностью. Поэтому на данном этапе возможно достаточно упрощенное и приближенное математическое описание биологических объектов, это направление нуждается в существенном совершенствовании.
Оптимизация биотехнологических процессов осуществляется на основе сочетания экспериментального и математического моделирования и применения современных методов оптимизации (динамического и нелинейного программирования, вариационного исчисления). Однако в настоящее время для оценки оптимальности биотехнологических процессов трудно даже подобрать критерии. При оптимизации в биотехнологии необходимо учитывать ограничения, связанные с экономическими и конструктивными условиями, возможностями контрольно-измерительной аппаратуры и средств управления, экологическими требованиями и др. Моделирование и оптимизация биотехнологических процессов – задача сложная и во многом еще не решенная. Однако именно разработка адекватных моделей различных биотехнологических процессов и на их основе создание совершенных методов оптимизации и управления – важнейшее направление биотехнологии, без которого невозможен прогресс.
Самым главным направлением биотехнологии является всемерная интенсификация производственных процессов, что достигается, с одной стороны, внедрением новых высокопродуктивных биологических объектов (продуцентов), а также широким применением эффективных технологических приемов (технологических режимов). Указанная цель достигается подбором подходящего сырья (субстрата для выращивания продуцента), разработкой наилучшей конструкции биореактора (ферментора), оптимизацией условий культивирования продуцента, обеспечением эффективного контроля за самим технологическим процессом, а также усовершенствованием способов выделения и очистки целевого продукта.
Для обслуживания установок глубинного культиривирования применяют автоматизированную модульную систему, включающую:
- очистка и стерилизация воздуха и пара с использованием металлокерамических и титановых фильтрующих элементов;
- модули технологической обвязки, содержащие автономную систему термостатирования, запорную и регулирующую арматуру, индивидуальные входные фильтры, электропневмообразователи и другие регулирующие устройства;
- блок автоматического контроля и управления, содержащий программное устройство, преобразователи сигналов от измерительных электродов, газоанализаторы для измерения О, СО, еН, температуры рСО, рО;
- системы цифровой и диаграммной индикации текущих параметров культивирования.
Установка глубинного культивирования снабжены блоками дистанционного измерения давления в биореакторе и его рубашке, блоками дистанционного контроля интенсивности аэрации воздухом или газовой смесью (кислорода и азота, кислорода и углекислого газа, воздуха и углекислово газа, азота и углекислого газа).
Блок автоматического управления позволяет контролировать и поддерживать на заданном уровне программную стерилизацию биореактора и арматуры, скорость вращения мешалки и дистанционный контроль открытия или закрытия вентилей и регулирующих клапанов.
Ряд стран специализируется на выпуске широкого ассортимента оборудования для культивирования различного назначения (фирма NBS – США; Полиферм, биотек – Швеция; Марубиши – Япония; LH – Ферментейшн – Великобритания; Браун – Германия; БИОР-0,1, БИОР-0,2 – Россия, институт биологического приобретения с опытом заводов АН РФ).
Важнейшая активная стадия формирования биотехнологической системы – отработка режима культивирования клеток-продуцентов. Этот сложнейший технологический процесс должен обеспечивать всю совокупность потребности клетки, обусловленных ее физиологией. Именно на этой стадии представляется возможным реализовать генетически предопределенный потенциал клетки. К уже рассмотренному выше комплексу – «клетка+питательная среда» - в процессе культивирования добавляется необходимость достижения благоприятных условий для жизнедеятельности клеток-продуцентов. Инженерное обеспечение оптимального процесса культивирования представляет собой весьма сложную многофакторную задачу, наиболее эффективное решение которой достигается в настоящее время с помощью автоматического управления процессом с использованием ЭВМ на основе математических моделей, с достаточной для практики точностью описывающих жизнедеятельность популяций клеток-продуцентов.
ІV. Иллюстративный материал:прилагается
V. Литература:
основная:
1. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. – М.: Изд. центр «Академия», - 2008. – 208 с.
2. Евтушенков А.Н., Фомичев Ю.К. Введение в биотехнологию: Курс лекций. – Минск.: БГУ, 2002. - 105 с.
3. Сазыкин Ю.О., Орехов С.Н., Чакалева И.И. Биотехнология: Учебное пособие. – М.: Изд. Центр «Академия». – 2006. – 256 с.
4. Орехов С.Н. Фармацевтическая биотехнология. Руководство к практическим занятиям. – Учебное пособие. – Под ред. акад. РАМН В.А. Быкова, проф. А.В Катлинского. – М. : ГЭОТАР-Медиа 2009. – 384 с.
5. Елинов Н.П. Химическая микробиология. - Учебник. - М.: Высшая школа. - 1989, 448 с
6. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. - Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ. - 1989, 294 с.
7. Биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. / Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. - М.: Мир. - 1988, 480 с.
8. Чуешов В.И., Зайцев А.И., Шебанова С.Г. Промышленная технология лекарств. Том 2. Харьков, 2002.
9. Биотехнология микробного синтеза (Под ред. Бекера М.Е.) – Рига – 1980.
10. Биотехнология. (Отв. редактор А.А. Баев). - М.: Наука. - 1984, 310 с.
11. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов. М., - 1979 г.
12. Промышленная микробиология (Под ред. Егорова Н.С.) – М., 1989 г.
13. Процессы и аппараты химической технологии (Под ред. П.Г. Романкова). – Л. – 1981.
дополнительная:
1. Березов Т.Т. , Коровкина Б.Ф. – Биологическая химия (Под ред. И.М. Ивановой) – М., Медицина – 1981 г.
2. Никитин Г.А. – Биохимические основы микробиологических производств – Киев, 1981.
3. Бриттон Г. – Биохимия природных пигментов. М., Мир – 1986 г.
4. Попова Т.В. – Развитие биотехнологии в СССР – М., Наука - 1988 г.
5. Популяционные аспекты биотехнологии – Печуркин Н.С., Брильков А.В., Маркенкова Т.В. – Новосибирск: - Наука – 1990 г.
6. Специальные журналы: «Биотехнология», «Фармация Казахстана», «Фармацевтический бюллетень» и др.
VІ. Контрольные вопросы (обратная связь):
1. Каковы оптимизации биотехнологических процессов?
2. Какие системы применяются для глубинного культивирования?
3. Что такое экспериментальное и математическое моделирование?