Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | На правах рукописи
ШОТИН АНДРЕЙ БОРИСОВИЧ АВТОМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ БИОСИНТЕЗА 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2010
Работа выполнена на кафедре Техническая кибернетика и автоматика в Московском государственном университете инженерной экологии.
Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Софиев Александр Эльхананович.
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Зубов Дмитрий Владимирович.
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Бессарабов Аркадий Маркович, доктор технических наук, профессор;
Гартман Томаш Николаевич.
Ведущая организация: Московский государственный университет пищевых производств, г. Москва.
Защита диссертации состоится л 22 апреля 2010 г в _ часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии, 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ.
Автореферат разослан л _ _2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.145.02 к.т.н., доцент Мокрова Н.В
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В настоящее время научные исследования во многих областях знаний проводятся большими коллективами ученых, инженеров и конструкторов с помощью сложного и дорогостоящего оборудования. Эффективность научных исследований во многом связана с уровнем использования компьютерной техники. Типичным примером является проведение научных исследований процессов биосинтеза в исследовательских лабораториях.
В работе рассмотрены основные задачи создания автоматизированных систем научных исследований процессов биосинтеза лизина. Не смотря на повсеместное распространение систем автоматизации в промышленности, основные трудоемкие задачи исследовательской лаборатории (сбор и архивирование входных/выходных потоков информации о процессе, статистическая обработка информации, сортировка и проверка достоверности полученных данных) выполняются вручную, либо с помощью офисных пакетов приложений, не предназначенных для подобных целей. Для решения задач автоматизации исследовательской лаборатории в работе использованы современные технологии систем управления базами данных (СУБД).
В последнее время большое распространение получили лабораторные ферментационные комплексы типа BioFlo, которые используются для исследования процессов культивирования продуцентов различных ценных веществ, как аминокислоты (лизин), антибиотики (эритромицин), низин (пищевая добавка) и других. На таких установках проводятся серии опытов для получения новых штаммов и исследования уже существующих. Большую роль играют эксперименты по определению оптимальных условий для ферментации того или иного продукта - поиск зависимостей температуры, рН, pO2, которые обеспечивают максимальную удельную производительность биореактора, минимальное количество побочных продуктов, состав культуральной жидкости, обеспечивающий дешвое выделение целевого продукта.
Управляющими воздействий обычно выступают концентрации различных реагентов и расходы подпиток, расход воздуха на аэрацию.
Внедрение современных информационных технологий в процесс исследования микроорганизмов позволяет интенсифицировать процесс научных исследований и автоматизации основные трудоемкие и рутинные задачи.
Цель работы заключается в исследовании процесса биосинтеза лизина и разработка программно-аппаратного комплекса автоматизации лабораторных исследований.
В соответствии с целью в рамках диссертации решались следующие задачи:
- анализ существующих наработок в области программного и аппаратного обеспечения в области автоматизации научных исследований;
- разработка проекта автоматизированной системы научных исследований для исследовательской лаборатории;
- исследование лабораторного ферментационного комплекса BioFlo как объекта автоматизации;
- анализ и классификация существующего программного и аппаратного обеспечения для реализации программного комплекса для автоматизации процесса исследования;
- апробация разработанного программно-аппаратного комплекса путем реализации автоматизированной системы научных исследований на примере процесса изучения лизина.
Методы и объекты исследований. Объектом исследований в данной работе являлся лабораторный комплекс BioFlo на базе лабораторий Института Промышленной Биотехнологии МГУИЭ. Для решения поставленных задач использовались следующие методы: обследование и алгоритмизация объекта исследования (лабораторного стенда), декомпозиция процесса сбора и обработки информации, построение сетевых структур архитектуры клиент-сервер, формализация функций персонала, методы объектноориентированного программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана методика создания программно-аппаратного комплекса автоматизации лабораторных исследований, основанная на применении объектно-ориентированного программирования и средств языка SQL для доступа к накопленным экспериментальным данным;
- разработана структура организации автоматизированного комплекса управления лабораторными исследованиями инвариантная к используемой системе управления базами данных;
- разработана структура связей реляционных таблиц СУБД, обеспечивающая высокую скорость доступа к данным и обеспечивающая возможность дальнейшего расширения функций программно-аппаратного комплекса автоматизации лаборатории.
Практическая значимость заключается в реализации вариант программного комплекса автоматизации процессов исследований для биотехнологической лаборатории. Разработан и внедрен комплекс автоматизации лаборатории на основе применения устройств связи с объектом (УСО) для программного управления алгоритмами поддержания параметров процесса.
Реализованный блок имитационного моделирования биосинтеза лизина для вычисления теоретического выхода полезного продукта в результате эксперимента.
Большинство принципиальных решений автора по автоматизации лаборатории использовано при проектировании системы управления пилотной установки комплекса БиоПарк (Республика Чувашия), снизить срок выхода проекта на нормальный режим работы.
Полученные в работе результаты рекомендованы для дальнейшего развития и внедрения на объекты, где решаются аналогичные задачи исследований. При переходе от этапов лабораторных исследований к опытному производству необходимо проводить повторную идентификацию параметров модели, сохраняя программно-аппаратную структуру комплекса.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ММТТ-22, 2008; в Институте систем управления БГТУ "Военмех" им. Д.Ф. Устинова, на XVII Международной студенческой школе-семинаре Новые информационные технологии, 2009, а так же на нескольких конференциях студентов и аспирантов в Московском государственном университете инженерной экологии. Разработанный программный комплекс принят к внедрению на работающем комплексе лабораторий Института промышленной иотехнологии МГУИЭ.
Публикации по теме исследования. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 6 печатных работах (из них 3 в журналах из списка рекомендованных ВАК).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 3-х приложений. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит рисунков, 8 таблиц. Список литературы включает наименование.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано краткое изложение содержания работы по ее разделам. Проводится анализ актуальных задач при изучении процессов биосинтеза. Показана необходимость повышения эффективности исследований путем внедрения современных информационных технологий.
В первой главе подробно рассматривается текущее состояние автоматизации научных исследований. Проводится сравнительный анализ задач автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) и автоматизированных систем управления (АСУ) различных производств.
Компании-производители LIMS (laboratory information management system - англоязычный аналог понятия АСНИ), такие как ЛАБВЭА СНГ, АВРОРА-ИТ и ряд других, не рассматривают внедрение единичных проектов, предназначенных для лабораторий. Таким образом, исследовательские лаборатории вынуждены проводить исследования, используя технические решения, не отвечающие задачам процесса исследований.
Для решения проблемы автоматизации лабораторных исследований была поставлена задача разработки малобюджетного программно-аппаратного комплекса автоматизации лаборатории, и апробирования его путем реализации для процесса исследований биосинтеза лизина, применяя бесплатные или условно-бесплатные (shareware) компоненты. При этом проектируемая система должна обладать достаточной функциональностью, невысокой стоимостью внедрения и эксплуатации, а также иметь возможность дальнейшего расширения и быть простой в использовании для персонала лаборатории.
Рис. 1. Основные тренды процесса ферментации лизина В работе предлагается распространить унифицированный подход на процесс создания комплекса программно-аппаратной автоматизации для лабораторий. Унифицированный подход - это подход, состоящий из решений, прошедших промышленную апробацию и для которых не представляют сложности вопросы изготовления поставки наладки и гарантийного обслуживания.
Подобный подход распространен при создании АСУ для промышленности, но этот подход так же возможен при решении задач автоматизации лабораторий и пилотных производств.
Комплексная автоматизация лаборатории ЗАДАЧИ:
Экономичное Получение Автоматизация расходование экспериментальных типовых задач ресурсов данных лаборатории РЕШЕНИЯ:
Программный Рекомендации Лабораторный комплекс по организации комплекс автоматизации исследований BioFlo Рис. 2. Автоматизация лаборатории Применение такой унификации для всех подзадач, полученных после декомпозиции общей задачи, позволяет сделать разработку программно-аппаратного комплекса в значительной степени независимой от выбора технических и программных средств. Основные отличия УП при автоматизации лабораторий заключаются в меньшей зависимости конечного продукта от применяемых технологий и аппаратного обеспечения. При автоматизации процесса исследований в первую очередь рассматриваются основные задачи вычислительного комплекса и определение структуры будущей. На текущем этапе развития вычислительной техники, сама техническая реализация комплекса представляется менее сложной задачей, чем формализация самого процесса, а так же задач научного и обслуживающего персонала.
Вторая глава посвящена описанию исследований процесса биосинтеза лизина в лабораторной установке BioFlo. Исследуются процессы, сопровождающие все этапы подготовки, непосредственной постановки эксперимента и последующих обработки и анализа результатов.
В связи с характерными особенностями изучаемого процесса биосинтеза, такими как низкая воспроизводимость результатов экспериментов, изменчивость сырья и большие объемы экспериментальных данных целесообразно иметь математическую модель для целей имитационного моделирования влияний различных параметров на выход конечного продукта.
По заданию технологов, для реализации возможностей имитационного моделирования был разработан модуль, содержащий математическую модель процесса биосинтеза лизина.
Уравнения модели представлены ниже.
(1) (2) уравнения (1) и (2) представляют собой скорости роста биомассы и продукта.
(3) уравнение (3) характеризует изменение концентрации биомассы во времени.
(4) Уравнение (4) - материальный баланс по продукту - лизину.
(5) Уравнение (5) - материальный баланс по субстрату.
(6) Уравнение (6) - материальный баланс по ростовому фактору, x, S, P, R - концентрации биомассы, субстрата, продукта реакции и ростового фактора соответственно, г/л; - удельная скорость роста бактерий, 1/ч; r - концентрация ростового фактора, V- количество среды в аппарате, F - долив / отлив из аппарата. k1Еk10 - параметры модели.
В рамках работы были обработаны и преобразованы в цифровой вид значительные объемы накопленных экспериментальных данных.
Результаты и текущие наблюдения, собранные в ходе более 1000 опытов за 2005 - 2007 гг. позволили сформировать первичную базу. Методами покоординатного спуска были уточнены значения коэффициентов модели. Полученные в рамках работы значения параметров модели приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Значения параметров модели биореактора K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K0.381 0.683 245.41 160 10.1 20.2 1.52 0.78 0.062 0.На рис.3 приведен результат имитационного моделирования процесса биосинтеза лизина при оптимальных условиях. Можно наблюдать характерный рост биомассы, включение насоса для поддержания концентрации биомассы на уровне максимальной производительности, потребление ростового фактора, поддержание концентрации подпитки и нарастание полезного продукта ферментации.
г/л P S R x Рис. 3 Результаты моделирования процесса биосинтеза лизина (x, S, P, R - концентрации биомассы, субстрата, продукта реакции и ростового фактора).
Реализованная модель признавалась адекватной с точки зрения технологии, если результаты моделирования отклонялись от усредненных практических результатов не более чем на 7 - 10% в более чем в 100 опытах.
При более значительных отклонениях результатов моделирования от практических производилась повторная идентификация параметров модели. Дополнительная идентификация проводилась и при изменении штамма изучаемых микроорганизмов.
Третья глава посвящена выбору и обоснованию аппаратных и программных средств реализации автоматизированного комплекса исследований. Обосновано применение СУБД ORACLE 10g как основы, для построения системы сбора, анализа и представления данных.
На базе созданного лабораторного комплекса с дистанционным доступом ведутся реальные эксперименты и отрабатываются этапы работ для перехода от лабораторных исследований к практическому опытному производству.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам