Продолжение табл. 25

Инвертаза	Выработка кондитерских изделий
Нуллуланаза	Производство мальтазных (в сочетании с Р-амилазой) или глюконовых (в сочетании с глюкоамилазой) фрук- тозных сиропов из крахмала
Р-Галактозидаза	Освобождение молочной сыворотки от лактозы, приго­товление мороженого и др.
Пектиназа	Осветление вин и фруктовых соков, обработка плодов цитрусов
Целлюлаза	Приготовление растворимого кофе, морковного джема, улучшение консистенции грибов и овощей, обработка плодов цитрусов
Микробная протеаза	Сыроварение, ускорение созревания теста, производст­во крекеров, улучшение качества мяса
Пепсин, папаин	Осветление пива
Фицин, трипсин, бра- мелаин	Ускорение процесса маринования рыбы, отделение мяса от костей
Липазы	Придание специфического аромата сыру, шоколаду, молочным продуктам, улучшению качества взбитых яичных белков
Глюкозооксидаза, ка- талаза	Удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, май­онезов, фруктовых соков для их улучшения и удлине­ния сроков хранения
Витамины
А, В,, В2, В6, В12, С, D, Е, РР	Повышение питательной ценности продуктов
С, Е	Антиоксиданты
Терпены и родственные соединения
Гераниол, нерол	Ароматизаторы
Органические кислоты
Уксусная, бензойная, молочная, глкжоновая, лимонная, яблочная	Консерванты, ароматизаторы
Полисахариды
Ксантаны	Загустители и стабилизаторы кремов, джемов

6. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

6.1. Принципы построения технического

обеспечения автоматизированных систем

Процессы микробиологического синтеза отличаются высокой сте­пенью сложности. Многообразие функциональных связей, огромное количество взаимосвязанных параметров растущей популяции микро­организмов, малоизученность взаимодействий культуры с окружающей средой определяют ряд требований к автоматизированным биотехноло­гическим системам. При разработке принципов технического и матема­тического обеспечения автоматизированных биотехнологических сис­тем учитываются следующие:

• принцип системного подхода, заключающийся в том, что свойства объекта определяются не столько свойствами его отдельных эле­ментов (параметров), сколько свойствами его структуры, особыми интегральными взаимосвязями рассматриваемого объекта. Приме­нительно к автоматизированным системам этот принцип позволяет ускорить процесс выбора ЭВМ, внешних периферийных устройств, обеспечить гибкость математического обеспечения для решения технологических задач;

• принцип многоуровневое™ и иерархичности, определяющий структурно-функциональную организацию автоматизированных биотехнологических систем. Одноуровневые реализации не позво­ляют оценивать индивидуальную эффективность параметров био­технологического процесса с точки зрения эффективности процес­са культивирования в целом;

• принцип модульности и функциональной полноты, заключающийся в том, что отдельные модули технического и математического обес­печения автоматизированных биотехнологических систем имеют функциональную самостоятельность, а их комбинация дает возмож­ность строить функционально полные системы различной степени сложности применительно к конкретным задачам биотехнологии;

• принцип непрерывного развития автоматизированных биотехноло­гических систем, позволяющий при постоянном совершенствова­нии отдельных технических модулей осуществлять включение принципиально новых измерительных устройств, способных полу­чать информацию о более сложных глубоких связях и изменениях объекта управления; основная структура автоматизированных био­технологических систем при этом не изменяется, органически включает в себя новые элементы. Расширение функциональных возможностей и совершенствование математического обеспечения происходит при сохранении его основного ядра;

• принцип новых задач, заключающийся в том, что разрабатываемые автоматизированные биотехнологические системы должны повы­шать эффективность биотехнологических процессов не за счет ко­пирования старых технологических регламентов, а за счет решения новых задач, которые раньше не решались из-за неполного сбора и обработки информации о ходе процесса;

• принцип максимально разумной типизации, расширяющий круг возможных заказчиков и область внедрения автоматизированных биотехнологических систем в новых отраслях народного хозяйст­ва, позволяет снизить общую стоимость разработки новых про­блемно-ориентированных автоматизированных биотехнологиче­ских систем, сократить сроки их внедрения. Принцип предполагает быструю адаптацию систем к изменению задач биотехнологии с сохранением основных пакетов прикладных программ математиче­ского обеспечения;

• принцип эксплуатационной надежности, удобства работы и безо­пасности обслуживающего персонала. Реализация данного прин­ципа существенно влияет на себестоимость конечного продукта микробиологического синтеза, позволяет снизить непроизводи­тельные затраты на обслуживание и ремонт автоматизированных биотехнологических систем, ведет к экономии и рациональному использованию сырьевых ресурсов.

На основании вышеизложенных принципов была разработана общая схема организации комплекса технических средств автоматизированных биотехнологических систем, приведенная на рис. 24.

Данная схема состоит из четырех уровней. Первый уровень включает в себя блоки ферментации с набором датчиков, дополнительные измери­тельные модули, а также соответствующие исполнительные механизмы и устройство для автоматического отбора проб. Набор измерительных мо­дулей, предназначенный для оценки физиологического состояния расту­щей популяции микроорганизмов, может быть различным в зависимости от целевого назначения микробиологического процесса.

Рис. 24. Блок-схема автоматизированной биотехнологической системы

Второй уровень состоит из блоков управления, предназначенных для поддержания в заданных пределах параметров культивирования, а также из аппаратуры связи с комплексами вычислительных устройств.

Третий уровень предполагает использование микро-ЭВМ типа «Электроника-60» с периферийным оборудованием и средствами ото­бражения информации в автоматическом режиме и в режиме диалога с оператором. Он предназначен для обработки поступающей от объекта управления информации, ведения протокола эксперимента или биотех­нологического процесса и составления отчетной документации. Данный уровень обладает возможностью управления текущими параметрами процесса по определенным алгоритмам.

Четвертый уровень включает мини-ЭВМ и предназначен для по­строения в реальном масштабе времени моделей процессов культивиро­вания микроорганизмов и организации по выбранным алгоритмам оп­тимального управления параметрами этих процессов.

Первым этапом разработки автоматизированных биотехнологиче­ских систем предложенной структуры было создание лабораторной уста­новки для периодического и непрерывного культивирования аэробных и анаэробных культур микроорганизмов «Фермус-1», блок-схема которой приведена на рис. 25. В этой схеме реализовано два уровня автоматизиро­ванных биотехнологических систем. Она имеет законченную блочно- модульную структуру, ориентирована на решение задач управляемого культивирования микроорганизмов в режимах хемостата и рН-стата.

i I

Регуляторы рН, рО_г, t\ N

Нормализаторы

Датчики

Ферментер

Исполнителен ыс механизмы

4

Рис. 25. Блок-схема системы «Фермус-1»

Для расширения функциональных возможностей системы «Фермус-1» была создана система «Каскад», структура которой показана на рис. 26. Комбинация трех установок типа «Фермус-1» позволяет решать такие зада­чи практической микробиологии, как изучение микробных сообществ, применяемых, в частности, для биологической очистки сточных вод, а также исследование многостадийных процессов микробиологического синтеза.

Норма­		Регуляторы	1	Норма­		Регуляторы	1	Норма­		Регуляторы
лизаторы		рН, р02, Г, N	1	лизаторы		рН, р02, t°, N		лизаторы		рН, р02, t°, N

I

Исполни­тельные механизмы

Исполни­тельные механизмы

Исполни­тельные механизмы

Датчики

Датчики Z

Датчики

Насос 1 Скорость протока

Насос 2 Скорость протока

-8-1

m ■

V2

V1

Рис. 26. Блок-схема системы «Каскад»

6.2. Математическое обеспечение

автоматизированных биотехнологических систем

Разработано математическое обеспечение двух уровней:

• математическое обеспечение моделирования процессов микробио­логического синтеза (верхний уровень), позволяющее на основе методов системного анализа строить математические модели, про­водить их параметрическую идентификацию, проверку адекватно­сти, а также осуществлять поиск оптимальных режимов управле­ния;

• математическое обеспечение текущего эксперимента (нижний уро­вень), позволяющее осуществлять сбор и первичную обработку

информации, передачу управляющих воздействий, ведение теку­щей и итоговой документации.

Применение средств вычислительной техники в составе систем для культивирования микроорганизмов открывает исследователю новые возможности, например в осуществлении более полного сбора инфор­мации о процессе с помощью различных датчиков и анализаторов.

Наличие ЭВМ в автоматизированных биотехнологических систе­мах позволяет на основе экспериментальных данных строить математи­ческое описание микробиологического процесса. Поиск оптимальных режимов управления процессами по математическим моделям сущест­венно сокращает время на разработку интенсивных режимов культиви­рования и удешевляет их реализацию.

Рис. 27. Структурная схема математического обеспечения

моделирования процессов микробиологического синтеза

На сегодняшний день в литерат>'ре описаны около 1000 математи­ческих моделей процесса культивирования микроорганизмов. Несмотря на такое обилие математических моделей, не существует и, по- видимому, не может существовать универсальной математической мо­дели процессов микробиологического синтеза ввиду необычайной сложности и многообразия жизнедеятельности микроорганизмов. Одна­ко возможно алгоритмизировать процесс построения моделей и соот­ветственно автоматизировать его. Сформулированные выше (п. 5.1.) правила позволяют строить обобщенные математические модели про­цессов микробиологического синтеза.

После получения структуры математической модели важнейшим этапом построения оптимизационной модели является ее параметриче­ская идентификация. Определение постоянных значений параметров математической невязки, характеризующей меру отклонения теоретиче­ских значений переменных процесса от экспериментальных,

д(А₁,А₂,...,А_т) = ^—~ , (9)

N-т

где A_h А₂, ..., А_т - постоянные коэффициенты модели; Y™^c - экспериментапь- ные значения переменных процесса; К, - соответствующие теоретические значения, вычисленные по модели; а, - весовые коэффициенты; N - число экспе­риментальных точек; т — число постоянных коэффициентов модели.

Сведение задачи идентификации математической модели к задаче математического программирования - минимизации функции невязки - имеет целью ее упрощение и представление в виде известной ранее за­дачи с хорошо разработанными методами решения. Блок-схема по­строения модели общего вида показана на рис. 28.

Для микробиологических процессов, целью которых является на­копление биомассы микроорганизмов, перечисленные три класса управляющих функций считаются наиболее приемлемыми.

Переход от задач оптимального управления к задачам параметрической оптимизации примечателен еще и тем, что позволяет исследователю восполь­зоваться методами минимизации функций нескольких переменных, имею­щихся в библиотеке методов диалоговой системы идентификации моделей.

Поиск квазиоптимальных управляющих воздействий на процесс ферментации микроорганизмов осуществляет «Диалоговая система оп­тимизации», блок-схема которой приведена на рис. 29.

Математическое обеспечение созданных к настоящему времени био­технологических систем в основном ориентировано на весьма узкий клгхс и на конкретный комплекс технических средств (КТС). Это затруд­няет применение созданного математического обеспечения для решения новых классов задач и использование других КТС. Поэтому целью разра-

Рис. 28. Блок-схема построения модели общего вида

Рис. 28. Блок-схема диалоговой системы оптимизации

ботки математического обеспечения текущего эксперимента было соз­дание типовых алгоритмов и пакетов программ, независимых от КТС, для анализа и управления параметрами культивирования микроорга­низмов в автоматическом и диалоговом режимах, обеспечивающих на­копление необходимой информации с целью последующего ее исполь­зования.

На основании проведенного анализа существующих систем управ­ляемого культивирования микроорганизмов и изучения класса задач, возникающих в лабораторных экспериментах и промышленном культи­вировании, были выработаны следующие требования, которым должно удовлетворять разрабатываемое математическое обеспечение текущего эксперимента:

• математическое обеспечение текущего эксперимента должно быть построено по принципу модульно-интерфейсной адаптации, то есть должно представлять собой совокупность функционально не­зависимых комбинаций и построения интерфейсов. В зависимости от решаемых задач или типа КТС формируется необходимое обес­печение текущего эксперимента;

• математическое обеспечение текущего эксперимента должно реа- лизовывать два режима отображения информации по запросу;

• математическое обеспечение текущего эксперимента должно осу­ществлять тестирование и автоматическую диагностику неисправ­ностей КТС и объекта управления, в том числе неисправностей датчиков и контуров регулирования управляемых параметров (нормализаторов, управляющих механизмов, линий передач дан­ных), а также контролировать выход параметров состояния объекта управления их допустимых пределов изменения;

• время реакции: математическое обеспечение текущего экспери­мента на автоматически анализируемую неисправность не должно превышать 2 мин;

• математическое обеспечение текущего эксперимента должно реа- лизовывать управление не более чем 10 ферментами;

• анализируемыми параметрами в каждом ферментере в зависимости от поставленной цели культивирования могут быть рН, р0₂, число оборотов мешалки, оптимальная плотность культуральной жидко­сти в ферментере, температура окружающей среды, скорость изме­нения кислотности культуральной жидкости, напряжение на нагре­вающем элементе, удельная скорость роста микроорганизмов;

• управляемыми параметрами в каждом ферментере могут быть рН, температура в ферментере, р0₂, число оборотов мешалки, подача питательной среды или питательного субстрата.

Для реализации вышеперечисленных требований при разработке структуры математического обеспечения текущего эксперимента необ­ходимо выполнить следующие условия:

• связь модулей между собой должна происходить на информацион­ном уровне;

• математическое обеспечение текущего эксперимента должно кон­тролироваться собственной операционной системой, осуществ­ляющей информационную связь между модулями математического обеспечения в процессе работы.

Создание типового ряда технических и программных модулей авто­матизированных биотехнологических систем позволило существенно сократить сроки разработок проблемно-ориентированных автоматизиро­ванных биотехнологических систем различной архитектуры.

Разработка методов системного анализа применительно к процес­сам роста и жизнедеятельности микробных популяций привела к созда­нию единых методик построения системных схем и математических описаний процессов управляемого культивирования микроорганизмов. Благодаря развитию методов системного анализа стало возможным блочно-модульное конструирование не только автоматизированных систем управления, но и математических моделей и оптимальных управлений. Иными словами, создан своеобразный биотехнологический конструктор (наподобие детского «Сделай сам»), составными элемен­тами которого являются модули математического и технического обес­печения автоматизированных биотехнологических систем для управ­ляемого культивирования микроорганизмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биотехнология (в широком смысле этого термина) уже сегодня имеет большое экономическое и социальное значение. Главная цель этого раздела книги - проанализировать перспективы ее развития, опи­сать механизмы новой биотехнологии.

В настоящее время перспективно использование достижений био­технологии: в промышленности - пищевой, фармацевтической, химиче­ской, нефтегазовой в направлении биосинтеза и биотрансформации но­вых веществ на основе применения сконструированных методами генной инженерии штаммов бактерий и дрожжей с заданными свойствами по микробиологическому синтезу; в сельском хозяйстве - разработка в об­ласти растениеводства трансгенных агрокультур, биологических средств защиты растений, биогумуса, бактериальных удобрений, микробиологи­ческих методов рекультивации почв; в области животноводства - созда­ние эффективных кормовых препаратов из растительной, микробной биомассы и отходов сельского хозяйства, репродукция животных на ос­нове эмбриогенетических методов; в энергетике - применение новых ис­точников биоэнергии, полученных на основе микробиологического син­теза и моделированных фотосинтетических процессов, биоконверсии биомассы в биогаз; в медицине - разработка медицинских биопрепаратов моноклональных антител, диагностикумов, вакцин, развитие иммунобио- технологии в направлении повышения чувствительности и специфично­сти иммуноанализа заболеваний инфекционной и неинфекционной при­роды; в экологии - разработка экологически безопасных технологий по очистке сточных вод, утилизация отходов агропромышленного комплек­са, конструирование экосистем.

Глубокие перемены, происшедшие в биологии за последние деся­тилетия, открыли принципиально новые перспективы в развитии био­технологии, расширили границы применения биологических процессов в производстве и привели к появлению новых направлений в биотехно­логии, которые объединяют под общим названием «современная био­технология». Современная биотехнология, по определению Европей­ской федерации биотехнологии (EFB), связана с применением потен­циала биохимии, микробиологии, молекулярной биологии и инженер­ных дисциплин для утилизации в промышленных масштабах культур микроорганизмов, клеток и тканей растений, животных и человека или частей их. Она создает возможности получения в мягких условиях с помощью легкодоступных и возобновляемых ресурсов промышленно ценных и жизненно важных для человека веществ и соединений при низком энергопотреблении.

Под понятием «современная биотехнология» в настоящее время подразумевают чаще всего два наиболее крупных ее направления - ге­нетическую и клеточную инженерию, которые охватывают основную часть этой сложной междисциплинарной технологии и имеют наиболее широкие потенциальные области применения. Именно на этих направ­лениях в последние две декады столетия были достигнуты значитель­ные успехи в разработке и производстве биологически активных ве­ществ. Это в первую очередь создание промышленной технологии про­изводства широкого ряда генноинженерных препаратов инсулина, гор­мона роста человека, интерферонов, интерлейкинов, эритропоэтина, активатора тканевого плазминогена, ряда моноклональных антител и вакцин и многих других.

Разработка лекарственных средств с использованием методов со­временной биотехнологии наиболее активно ведется в США, Японии и отдельных странах Западной Европы, где на эти цели расходуется в среднем 2/3 средств, выделяемых на НИОКР в области биотехнологии. Практически во всех этих государствах существуют правительственные программы поддержки биотехнологических проектов, проводятся фун­даментальные исследования и промышленное внедрение новых биотех­нологических продуктов.

В США, являющихся лидером в области современной биотехноло­гии, для проведения фундаментальных и прикладных исследований было образовано большое число специализированных биотехнологических фирм, которые, привлекая частный и государственный капитал и лучшие научные кадры, в считанные годы разработали и запатентовали способы получения многих белковых продуктов медицинского назначения.

Япония занимает второе место в мире после США по уровню раз­вития биотехнологии. И если в традиционных ее областях, в частности в производстве ферментов, антибиотиков и аминокислот, позиции Япо­нии очень сильны, то в применении методов новейшей биотехнологии наблюдается значительное отставание от США, осуществивших мощ­ный рывок в данном направлении. Для преодоления этого отставания Япония сделала ставку на революционное развитие биотехнологии. Рас­чет делался как на традиционные для Японии пути развития (практиче­ское использование научно-технической информации и закупка лицен­зий и патентов на генноинженерную технологию и штаммы микроорга­низмов), так и на быструю подготовку японских специалистов путем стажировки за рубежом и расширение собственных исследований по генетической инженерии в университетах и лабораториях промышлен­ных фирм. В отличие от США, специализированных биотехнологиче­ских фирм в Японии создано очень мало и, как правило, исследования­ми в этой области заняты крупные фирмы.

Наряду с США и Японией, биотехнология быстрыми темпами раз­вивается и в странах Западной Европы. Эти страны могут в будущем оказать значительное влияние на конъюнктуру рынка биотехнологиче­ских продуктов. Как и в США, в 80-х годах в Западной Европе резко возросло количество мелких биотехнологических фирм. Возникли они в основном на базе лабораторий, ранее проводивших фундаментальные научные исследования. Многие из них финансируются в настоящее время промышленными корпорациями и финансовыми учреждениями, либо пользуются финансовой поддержкой со стороны правительства.

Наибольшее развитие биотехнологии наблюдается в Великобрита­нии (где по состоянию на ноябрь 1998 г. зарегистрировано 58 фирм, проводящих исследования в этой области), во Франции 51 фирма, и в Германии 48 фирм. Значительные усилия по развитию биотехнологии предпринимаются со стороны правительств Нидерландов, Италии, Да­нии и Швеции.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Бекер М. Е. Введение в биотехнологию. - М.: Пищевая промыш­ленность, 1978. - 232 с.

2. Бирюков В. В., Кантере В. М. Оптимизация периодических про­цессов микробиологического синтеза. - М.: Наука, 1985. - 292 с.

3. Виестур У.Э., Шмите И. А., Жилевич А. В. Биотехнология. - Рига: Зинанте, 1987.-263 с.

4. Варфоломеев С. Д., Калюжный С. В. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов. - М.: Высшая школа, 1990.-295 с.

5. Бекер М. Е., Лиепиньш Г. К., Райнулис Е. П. Биотехнология. - М.: Агропромиздат, 1990. - 334 с.

6. Экологическая биотехнология. - Л.: Химия, 1990. - 384 с.

7. Кислухина О., Кюдулас И. Биотехнологические основы переработ­ки растительного сырья. - Каунас: Технология, 1997. - 183 с.

8. Golubev. V. Introduction to Bioengineering. - UFLA, Lavras, Brazil, 1995.

9. Harvey W. Blanch, Douglas S. Clark. Biochemical Engineering. - Mar­cel Dekker, N.-Y., 1997. - 702 p.