Научная статья на тему 'Алгоритмическое и программное обеспечение расчетов биотехнологических процессов с рециркуляцией субстрата и биомассы'

Алгоритмическое и программное обеспечение расчетов биотехнологических процессов с рециркуляцией субстрата и биомассы Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
432
61
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БИОТЕХНОЛОГИЯ / МОДЕЛИРОВАНИЕ / РЕЦИРКУЛЯЦИЯ / РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ / biotechnology / simulation calculation recycling targets

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Макаров В. В., Гордеев Л. С., Гордеева Ю. Л., Щербинин М. Ю.

В статье рассматривается способ повышения эффективности для широкой области анаэробных микробиологических процессов путем введения в схему непрерывного культивирования микроорганизмов циркуляции. Совершенствование биотехнологических процессов непрерывного способа функционирования возможно с использованием рециркуляции субстрата и биомассы. Рециркуляция дает возможность увеличить величину протока и продуктивность процесса по целевому компоненту. В то же время рециркуляция вводит дополнительные ограничения на задание исходных данных процесса – начальной концентрации субстрата, величины протока и объемной скорости рециркуляции, которая в алгоритме и программе должна выполняться в соответствии с кинетическими характеристиками. На основании кинетических соотношений разработаны алгоритм и программная реализация для расчета показателей анаэробного биотехнологического процесса с рециркуляцией субстрата и биомассы при условии полного от-деления продукта из потока рециркуляции. Получены соотношения, обеспечивающие возможность практической реализации процесса. Показатель циркуляционного потока DR оценивался по величине продуктивности по целевому продукту QP. Алгоритм расчета включает 21 вариант практической реализации процесса, каждый из которых можно оценить в приведенной блок-схеме. Кроме вычисления показателей процесса, программа содержит справку для пользователя, включающую описание переменных и краткое руководство по работе с программой. Приведены численные результаты расчетов для различных вариантов начальных заданий технологических показателей, на основании которых можно сделать вывод, что введение циркуляции обеспечивает повышение продуктивности по целевому продукту QP (по сравнению с аналогичной схемой и входными параметрами без рециркуляции потока). Отличительной особенностью представленного подхода является многогранность прогнозируемого процесса, позволяющая без проведения эксперимента, с помощью готового программного продукта оценить положительный эффект включения в схему рециркуляции. Полученные соотношения и программная реализация расчетов могут служить как рабочим инструментом для проектирования процесса, так и основанием для дальнейших разработок в этой области, в частности, для оценки нестационарных режимов и устойчивости стационарных состояний.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Макаров В. В., Гордеев Л. С., Гордеева Ю. Л., Щербинин М. Ю.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ALGORITHM AND SOFTWARE CALCULATIONS OF BIOTECHNOLOGICAL PROCESSES WITH SUBSTRATE AND BIOMASS RECIRCULATION

This article discusses a method of increasing the efficiency of a wide range of anaerobic microbiological pro-cesses by introducing continuous cultivation of microorganisms circulation to a scheme. Improvement of continuous process operation biotechnological processes is possible with the use of substrate and bio-mass. Recycling allows increasing the amount of flow and process productivity on the target component. At the same time re-cycling imposes additional constraints on the initial data assignment process. They are an initial substrate concentration, size and magnitude of the volume flow recirculation rate which should be carried out in the algorithm and the program in accord-ance with kinetic characteristics. Based on kinetic relations, the authors have developed an algorithm and software implementation to calculate anaerobic biotechnological process indicators with recirculation of the substrate and biomass provided complete separation of the prod-uct from the recycle stream. The relations provide an opportunity for practice. D R circulation flow rate has been measured by the efficiency of the QP intended product. The algorithm includes 21 a calculation variant of process implementing, each of them can be evaluated in the introduced flowchart. Except for calculation of process indicators, the program contains a user certificate including a description of the varia-bles and a brief program manual. There are numerical results of calculations for different initial tasks of technological parameters. They prove that the in-troduction of circulation results in increased productivity of the QP target product (compared to the same circuit and the input parameters without recirculation flow). A distinctive feature of the approach is the suggested process diversity. It allows assessing the positive effect of including recirculation to the scheme without experiment, just using a software product. Obtained relations and software implementation of the calculations can serve as a working tool for the design process and the basis for further developments in this field, in particular to assess the transient regimes and stability of steady states.

Текст научной работы на тему «Алгоритмическое и программное обеспечение расчетов биотехнологических процессов с рециркуляцией субстрата и биомассы»

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

УДК 519.688, 579.6 Дата подачи статьи: 4.04.2014

DOI: 10.15827/0236-235X.108.198-204

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ СУБСТРАТА И БИОМАССЫ

Ю.Л. Гордеева, к.т.н., доцент

(Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина, ул. Академика Скрябина, 23, г. Москва., 109472, Россия); М.Ю. Щербинин', аспирант, zzamax@gmail.com;

Л.С. Гордеев, д.т.н., профессор, l.s.gordeev@iyandex.ru;

В.В. Макаров, д.т.н., профессор

(Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Миусская пл., 9, г. Москва, 125047, Россия)

В статье рассматривается способ повышения эффективности для широкой области анаэробных микробиологических процессов путем введения в схему непрерывного культивирования микроорганизмов циркуляции.

Совершенствование биотехнологических процессов непрерывного способа функционирования возможно с использованием рециркуляции субстрата и биомассы.

Рециркуляция дает возможность увеличить величину протока и продуктивность процесса по целевому компоненту. В то же время рециркуляция вводит дополнительные ограничения на задание исходных данных процесса -начальной концентрации субстрата, величины протока и объемной скорости рециркуляции, которая в алгоритме и программе должна выполняться в соответствии с кинетическими характеристиками.

На основании кинетических соотношений разработаны алгоритм и программная реализация для расчета показателей анаэробного биотехнологического процесса с рециркуляцией субстрата и биомассы при условии полного отделения продукта из потока рециркуляции. Получены соотношения, обеспечивающие возможность практической реализации процесса. Показатель циркуляционного потока DR оценивался по величине продуктивности по целевому продукту QP. Алгоритм расчета включает 21 вариант практической реализации процесса, каждый из которых можно оценить в приведенной блок-схеме.

Кроме вычисления показателей процесса, программа содержит справку для пользователя, включающую описание переменных и краткое руководство по работе с программой.

Приведены численные результаты расчетов для различных вариантов начальных заданий технологических показателей, на основании которых можно сделать вывод, что введение циркуляции обеспечивает повышение продуктивности по целевому продукту QP (по сравнению с аналогичной схемой и входными параметрами без рециркуляции потока).

Отличительной особенностью представленного подхода является многогранность прогнозируемого процесса, позволяющая без проведения эксперимента, с помощью готового программного продукта оценить положительный эффект включения в схему рециркуляции.

Полученные соотношения и программная реализация расчетов могут служить как рабочим инструментом для проектирования процесса, так и основанием для дальнейших разработок в этой области, в частности, для оценки нестационарных режимов и устойчивости стационарных состояний.

Ключевые слова: биотехнология, моделирование, рециркуляция, расчет показателей.

Расчет биотехнологических процессов требует, как правило, разработки алгоритмического и программного обеспечения в силу использования нелинейных кинетических соотношений.

Результатами расчетов являются значения таких выходных показателей, как концентрация субстрата, концентрация биомассы и продукта, по которым вычисляется продуктивность по целевому компоненту. Исходной информацией для расчета, кроме кинетических параметров, являются концентрации субстрата в поступающем потоке Sf, г/л, величина протока D(D = Q/V), где Q - объемная скорость поступающего потока, м3/ч, V - объем заполнения ферментера, м3, и для системы с рециркуляцией - величина протока рециркуляции Dr (Dr=Qr/V), где Qr - величина потока рециркуляции, м3/ч.

Разработка алгоритмического и программного обеспечения базируется на использовании математических моделей, основными требованиями к которым является наличие надежных (адекватных) кинетических соотношений. Для разных процессов виды кинетических соотношений могут быть различными с учетом тех или иных особенностей процессов [1-3], отметим лишь, что большинство из них являются нелинейными относительно концентраций действующих компонентов. Анализ кинетических соотношений и их использование при моделировании процессов позволяют выявить особенности последних, которые иногда невозможно прогнозировать экспериментально. Так, в работе [3] показаны возможности оценки предельного значения величины протока D, при котором субстрат полностью вымывается из ферментера, не вступив в процесс синтеза; существо-

198

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

вания множественности стационарных состояний, обеспечивающих одинаковое значение продуктивности; оценки входных технологических показателей, обеспечивающих максимальную продуктивность.

В настоящей статье описывается разработка алгоритмического и программного обеспечения более сложного по сравнению с [3] процесса в связи с использованием рециркуляции субстрата и биомассы с полным выделением продукта из потока циркуляции. Рециркуляция дает возможность увеличить величину протока и продуктивность процесса по целевому компоненту, как это было показано в [4]. Во многих исследованиях влияние рециркуляции на процессы микробиологического синтеза отмечается как возможное существенное улучшение показателей [5, 6].

Однако в таких микробиологических направлениях, как производство спирта, рециркуляция успешно используется даже на производстве [7, 8]. Наиболее существенно она может влиять на условия устойчивости функционирования биореакторов, особенно когда в контур рециркуляции включен мембранный модуль [9]. В то же время в информационном портале по подбору оборудования “Pharm System” вопросы учета рециркуляции не получили освещения [10], что, естественно, может отразиться на результатах подбора.

Наличие рецикла, с одной стороны, расширяет технологические возможности в части повышения продуктивности, с другой - требует более четкого обоснования ограничений, невыполнение которых может привести к неосуществимости практической реализации процесса [4].

Алгоритмическое и программное обеспечение разработано для процесса с непрерывным функционированием и непрерывным отводом продукта из потока после ферментера.

Расчетные соотношения

Кинетические соотношения [1, 2, 4]:

f -(-ц+Р) *.

Ц = Цтах (I" PlPm )'

K ■ S

Km ■ Ki + Ki ■ S + S2

(1)

(2)

Уравнения математической модели (матери-

альный баланс) [6]:

-DX + цХ = 0, (3)

D■(Sf —S)--LуХ = 0, (4)

YX / S

-(D + Dr) ■ P + (a ■ ц + Р) ■ X = 0. (5)

Продуктивность по целевому компоненту:

Qp = (D + Dr) P. (6)

Решим систему (3)-(5) с учетом (1), (2) и условия

Sf > S > 0,

B

получаем: S =----+.

2 A A

B

2A

C

+ — при A > 0,

s = --,

2 A 1

— 2 A

C

+ — при A < 0, B < 0.

2

2

(7)

(8)

(9)

Решение не существует или неприемлемо при

A < 0, B >0, (10)

где A = a1 - (D + DR) D ■ a2, (11)

B = aj ■ Sf - (D + DR) a2 ■ a3, (12)

C = (D + Dr) D ■ a2 ■ Km ■ K, (13)

a1 = a ■ D + Р, (14)

Pl

m

(15)

a3 Ki (цтах D), (16)

m = Ki ■ Ъ/S ■ цтах. (17)

Последнее означает, что ни при каких значениях D, Dr и Sf, обеспечивающих выполнение условия, технологический процесс нереализуем.

Существование решения (8) и (9) при A < 0 определяется условием неотрицательности дискриминанта:

B2 + 4 A -C > 0 (при A < 0). (18)

Выражение для дискриминанта:

в2 +4A ■C = [ a ■ Sf — у ■ a2 ■ a3 T+ (19)

+4 [« —у ■ D ■ a2 ]^[y D ■ a2 ■ Km ■ Ki ].

где у = (D + Dr).

Из равенства дискриминанта нулю получаем

оценку для DR=DRd:

a [ a ■ S,—2 ■ D ■ K

,d_ ”1 L~*3 ' Sf 2 ^D ^ Km 'K ] Л

Dd =

dr

a

где F = 1 — S2 ■

[a2 — 4 ■ D2 ■ Km ■ K ]

[ — 4D2 ■ Km ■ K ]

(l + F1/2)— D , (20)

[ «3 ■ Sf — 2 ■ D ■ Km ■ Ki ]

i [a32 — 4D2 ■(Km ■ K,)]

« — 2D ■ -

KmK Sr

(21)

Таким образом, реальное осуществление процесса с рециркуляцией обеспечивается неотрицательностью соотношения (21), откуда получаем ограничение по D:

«32 — 4D2 ■(Km ■ K ) = 0. (22)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Решение (22):

D = ■

1 + 2 (Km/К, )

12

Ц

max

(23)

Нетрудно видеть, что, если A < 0 и D = цтах, то B > 0, то есть решение неприемлемо. Отсюда следует, что D всегда должно быть меньше цтах.

199

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

Таким образом, в знаменателе выражения (23) следует принять знак «+», то есть

M-max

D = -

1 + 2 {KJK, f Отсюда имеем условие:

(24)

0 <

[а,2 - «}'■ ■( к ■ к)] sio

а - 2D K'''K

S,

(25)

200

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

При выражении D >----222---гР Р 1 + 2 •( KJK, )'”

[ a - 4D ■( Km ■ K, )]

получаем —

а - 2D ■

к ■ к

Sr

< 0 .

(26)

Численный анализ показал, что, хотя условие (26) дает неотрицательность F, получаемое значение DRd может привести к отрицательному значению дискриминанта (18). Отрицательное значение в (18) получается и при условии равенства в (25). Вычислим Sf по условию равенства в (25), обозначив SfC. Значение Sf вычисляется по уравнению

а2 - 4 D2 ■( кт ■ к, ) =

a - 2 d ■

к ■ к,.

S,

(27)

Получаем + ^

и при D по формуле (24)

2 D

-(к, ■ к,) (28)

SC =( к, ■ к,)2.

Значение DR вычисляется по условию

а [а ■ S, - 2 ■ D ■ К ■ к ].

1 L 3 J________m ' J Л + р/2 )

„Г „2 л тл2 м та 1( )

(29)

Dr > DR =

d- 1(1 + F1'2)-D .(30) a2 [32 - 4 ■ D2 ■ к, ■ к,. ] V '

Как отмечалось ранее, расчетные соотношения определяются знаком величин A и B. Если значение D дает отрицательный знак A, этот знак сохраняется при любом Dr. Вычислим D, при котором A = 0 (для Dr = 0), обозначив DA:

Da =

а ■ m 2 ■ P

а^ m 2 ■ P

m

P

(31)

Область задания D делится на две подобласти: D > Da, A < 0, (32)

D < Da, A > 0. (33)

Однако последнее неравенство может быть изменено за счет значения Dr. Значение DR = DRA, при котором A = 0 в условиях D < Da: а.

Da =

dr

D ■ а0

- D .

Отсюда следует:

(34)

(35)

(36)

Значение Sf = SfB, определяющее знак B при

если

если

Dr > Dra при D < Da, A < 0, Dr < Dra при D < Da, A > 0.

Dr = 0 и любом значении D:

e,B _а2 ■ аз ■D Sf = „ .

(37)

При этом,

если Sf > SfB, B > 0, (38)

если Sf < SfB, B < 0. (39)

Первое неравенство может быть изменено в зависимости от значения DrB, при котором B = 0:

-i2

-i 2

-i 2

-i2

+

„ a, ■ Sf

DB =-—f- - D . (40)

а ■ a3

Таким образом, при Sf < SB имеем условие DrB < 0. (41)

Если Dr < Drb, то B > 0; (42)

если Dr > Drb, то B < 0. (43)

В результате получены расчетные соотношения, позволяющие формировать алгоритм расчета (см. табл. 1).

Таблица 1

Соотношения, использованные в алгоритме

Table 1

Relations used in the algorithm

№ п/ п № в алгоритме Соотношение

1 (17) m = к, ' YXjS ' ^max

2 (14)- (16) P а, = а ■ D + P ; а = m ; 1 2 к,- Ух/s -Pmax а = к, '(^max - D)

3 (31) _ a а-m D = +4 2 • P ) m f а' m R P ■ m 12-P, j + Pm

4 (37) B аг ■ а3 ■ D Sf = а

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5 (28) SC =J±- + f 2 ■ D V ТБ J" к-'к’

6 (40) DR = а 'Sf D а2 ■ аъ

7 (21) Г ! аз2 - 4 ■ D2 ■ кm • к, f а - 2^^ Т I3 Sf J

8 (20) а (а ■s,-2' d■к ■к.), . R а2 ■ (а2 - 4' D2' к,-к,) ( )

9 (11)- (13) a = а - ( d+d ) ■ d ■ а; в = а ■ S' - ( d+D) ■ а ■ а; C =( D + Dr )■ D'a2' к, ■к

10 (9), (3)-(6) s=Ь дК 2BAA)’+ ^A; х=rxsi sf -s); (а' D + P) , , P = ~, -T-X ; Q„ = (D + dr )■ P (D + Dr ) ^ v RJ

11 (34) DA =t^ - D D • а2

Блок-схема алгоритма вычисления показателей процесса

Для задания исходных данных необходимо предварительно сделать вычисления, результаты

201

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

которых обеспечивают условия реального осуществления процесса.

Вычислить минимальное значение Sf по формуле (29).

Исходное значение для расчета Sf должно быть принято по условию Sf > mlnSf.

Вычислить максимальное значение D по формуле (24).

Исходное значение D должно быть принято по условию 0 < D < maxD.

Вычислить значение DA, определяющее знак A при Dr = 0, по формуле (31).

Вычислить m по формуле (17).

Поскольку величина протока рециркуляции определяется в процессе реализации алгоритма по значению продуктивности, в исходные данные для расчета, кроме кинетических констант, значений Sf и D, вводятся точность поиска величины продуктивности е и фактор шага поиска величины протока рециркуляции h. Шаг поиска вычисляется по соотношению H=hD.

Величина е ограничена значением 1,0, то есть е < 1,0.

Алгоритм включает два направления расчета, определяемые исходным значением D: для D > DA (D < Dmax) и для D < D (D > 0).

Исходные данные для расчета одни и те же для обеих ветвей алгоритма.

Расчетные соотношения, включенные в блок-схему алгоритма, следующие: цтахч-1 = 0,48, Pm г/л = 50, Km г/л = 1,2, K г/л = 22, YX/S = 0,4, а г/л= 2,2, в ч-1 = 0,2.

Блок-схема алгоритма расчета показана на рисунке 1.

Реализация алгоритма была выполнена в качестве компьютерной программы для ОС Windows (XP, Vista, 7, 8.x) в среде разработки Visual Studio 2010 на языке программирования C++ и скомпилирована в исполнимый файл на стандартном носителе.

Внешне программа состоит из двух компонентов. Окно программы (рис. 2) визуально разбито на три части. Ввод данных осуществляется в полях «Кинетические параметры» и «Технологиче-

ские параметры», после нажатия кнопки «Вычислить» происходят вычисления и вывод информации в полях области «Результат». При нажатии на кнопку «Справка» отобразятся справка по параметрам программы и краткое руководство по работе с ней.

Особенность программы заключается в том, что пользователь должен задать фактор шага поиска величины протока циркуляции h и точность поиска величины продуктивности е. Указанные величины h и е задаются по усмотрению пользователя. Рекомендуемые значения: h=0,5; е=0,02 (то есть 2 %).

В результате работы программы получаем значения концентраций компонентов на выходе из ферментера соответственно S, г/л; X, г/л; P, г/л, и количество отводимого продукта QP, гл-1ч-1.

Некоторые численные результаты по данным расчетов параметров процесса [5] приведены в таблице 2.

В заключение отметим, что разработанные алгоритм и программа расчета показателей биотехнологического процесса для кинетических соотношений, используемых при получении различ-

Таблица 2 Table 2

Примеры расчетов Sample calculations

№ а Sf D S V P Qp St SfC П D dr n A dr n B dr Dr

1 2,2 10 0,3 3,10 2,76 2,26 2,37 16,35 10,74 - -0,058 -0,117 0,750

2 2,2 15 0,3 3,59 4,57 3,19 3,93 16,35 10,74 0,48 -0,058 -0,025 0,927

3 2,2 40 0,3 4,52 14,19 4,03 12,21 16,35 10,74 2,59 -0,058 0,434 2,728

4 2,2 10 0,2 1,14 3,54 6,13 2,27 22,77 29,92 - 0,070 -0,112 0,170

5 2,2 25 0,2 2,21 9,33 12,69 5,97 22,77 29,92 - 0,070 0,019 0,270

6 2,2 40 0,2 2,78 14,89 17,53 9,53 22,77 29,92 0,24 0,070 0,151 0,344

7 1,2 25 0,2 1,81 9,28 13,61 4,08 33,14 29,92 - -0,014 -0,049 0,100

8 1,2 32 0,2 1,67 12,13 12,59 5,34 33,14 29,92 0,02 -0,014 -0,007 0,224

9 1,2 40 0,2 2,37 15,05 16,36 6,62 33,14 29,92 0,10 -0,014 0,041 0,205

202

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

ных продуктов микробиологического синтеза в широкой области исходных данных для процесса ферментации, имеют свои особенности. В зависимости от численных значений констант практическая реализация процесса синтеза должна учитывать ряд ограничений, накладываемых на входные показатели процесса Sf, D и DR, что невозможно оценить экспериментально. Так, по блок-схеме алгоритма возможность практической реализации процесса синтеза содержит 21 вариант. Разработанный общий подход к обеспечению расчетов микробиологического синтеза в процессе с циркуляцией предполагает возможность использования в качестве целевого продукта биомассы, учет возможности неполного отделения продукта (например, при мембранном разделении), оценку эффективности использования субстрата. Во всех численных примерах расчета показано, что введение циркуляции обеспечивает повышение продуктивности по целевому продукту.

Литература

1. Henson M.A., Seborg D.E. Nonlinear control strategies for continuous fermenters. Chemical Engineering Science, 1992, vol. 47, no. 4, pp. 821-835.

2. Agrawal P., Koshy G., Ramseier M. An algorithm for operating a fed-batch fermentor at optimum specific growth rate. Biotechnology and bioengineering, 1989, vol. 33, no. 1, pp. 115-125.

3. Гордеева Ю.Л., Щербинин М.Ю., Гордеев Л.С., Комиссаров Ю.А. Стационарные состояния биотехнологических процессов с нелинейной кинетикой роста микроорганизмов. Множественность при заданной величине концентрации субстрата в поступающем потоке // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2013. № 1.

4. Гордеева Ю.Л., Глебов М.Б., Гордеев Л.С. Оптимизация процесса микробиологического синтеза с нелинейной кинетикой роста микроорганизмов и рециркуляцией субстрата и биомассы // Теоретические основы химической технологии. 2013. Т. 47. № 5. C. 594-596.

5. Меньшутина Н.В., Гусева Е.В., Нижегородова Т.А., Будран Ж. Механические воздействия на микроорганизмы при культивировании // Биотехнология. 2007. № 5. С. 78-85.

6. Меньшутина Н.В., Гусева Е.В., Нижегородова Т.А., Будран Ж., Горгиен Ж.Л., Гедон Э., Делоне С. Математическое моделирование производства L-глутаминовой кислоты // Изв. вузов. Химия и химическая технология. 2007. Т. 50. С. 93-98.

7. Yarovenko V.L. Theory and practice of continuous cultivation of microorganisms in industrial alcoholic processes. Advances in Biochemical Engineering, Springer Berlin Heidelberg, 1978, vol. 9, pp. 1-30.

8. Warren R.K., Macdonald D.G., Hill G.A. The design and costing of a continuous ethanol process using wheat and cell recycle fermentation. Bioresource technology, 1994, vol. 47, no. 2, pp. 121 -129.

9. Меньшутина Н.В., Тарутина Н.В., Софиев А.Э. Анализ устойчивости функционирования мембранных биореакторов // ТОХТ. 2008. № 3. С. 251-256.

10. Меньшутина Н.В., Топтунов В.Н., Батин С.Э., Гусева Е.В. Информационный портал для подбора оборудования “Pharm System” // Программные продукты и системы. 2009. № 1 (85). С. 68-69.

DOI: 10.15827/0236-235X.108.198-204 Received 4.04.2014

ALGORITHM AND SOFTWARE CALCULATIONS OF BIOTECHNOLOGICAL PROCESSES WITH SUBSTRATE AND BIOMASS RECIRCULATION Gordeeva Yu.L., Ph.D. (Engineering), Associate Professor (K.I. Skryabin Moscow State Academy of Veterinary Medicine and Biotechnology,

Academician Skryabin St. 23, Moscow, 109472, Russian Federation);

Shcherbinin M. Yu., Postgraduate Student, zzamax@gmail.com;

GordeevL.S., Dr.Sc. (Engineering), Professor, l.s.gordeev@yandex.ru;

Makarov V. V., Dr.Sc. (Engineering), Professor (D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russian Federation,

Miusskaya Sq. 9, Moscow, 125047, Russian Federation)

Abstract. This article discusses a method of increasing the efficiency of a wide range of anaerobic microbiological processes by introducing continuous cultivation of microorganisms circulation to a scheme.

Improvement of continuous process operation biotechnological processes is possible with the use of substrate and biomass.

Recycling allows increasing the amount of flow and process productivity on the target component. At the same time recycling imposes additional constraints on the initial data assignment process. They are an initial substrate concentration, size and magnitude of the volume flow recirculation rate which should be carried out in the algorithm and the program in accordance with kinetic characteristics.

Based on kinetic relations, the authors have developed an algorithm and software implementation to calculate anaerobic biotechnological process indicators with recirculation of the substrate and biomass provided complete separation of the product from the recycle stream. The relations provide an opportunity for practice. DR circulation flow rate has been measured by the efficiency of the QP intended product. The algorithm includes 21 a calculation variant of process implementing, each of them can be evaluated in the introduced flowchart.

Except for calculation of process indicators, the program contains a user certificate including a description of the variables and a brief program manual.

There are numerical results of calculations for different initial tasks of technological parameters. They prove that the introduction of circulation results in increased productivity of the QP target product (compared to the same circuit and the input parameters without recirculation flow).

A distinctive feature of the approach is the suggested process diversity. It allows assessing the positive effect of including recirculation to the scheme without experiment, just using a software product.

203

Программные продукты и системы /Software & Systems

№ 4 (108), 2014

Obtained relations and software implementation of the calculations can serve as a working tool for the design process and the basis for further developments in this field, in particular to assess the transient regimes and stability of steady states.

Keywords: biotechnology, simulation calculation recycling targets.

References

1. Henson M.A., Seborg D.E. Nonlinear control strategies for continuous fermenters. Chemical Engineering Science. 1992, vol. 47, no. 4, pp. 821-835.

2. Agrawal P., Koshy G., Ramseier M. An algorithm for operating a fed-batch fermentor at optimum specific growth rate. Biotechnology and Bioengineering. 1989, vol. 33, no. 1, pp. 115-125.

3. Gordeeva Yu.L., Shcherbinin M.Yu., Gordeev L.S., Komissarov Yu.A. Stationary states of biotechnological processes with nonlinear kinetics of growth of microorganisms. Plurality at the given value of substrate concentration in the incoming flow. Vestnik Astrakhanskogo gos. tekhnicheskogo univ. Seriya: Upravlenie, vychislitelnaya tekhnika i informatika [Bulletin of Astrakhan State Technical University. Series: Management, Computer Science and Informatics]. 2013, no. 1, pp. 21-28 (in Russ.).

4. Gordeeva Yu.L., Glebov M.B., Gordeev L.S. Optimization of Microbiological Synthesis with Nonlinear Kinetics of Microorganism Growth and Recycling of Substrate and Biomass. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii [Theoretical Foundations of Chemical Engineering]. 2013, vol. 47, no. 5, pp. 612-614.

5. Menshutina N.V., Guseva E.V., Nizhegorodova T.A., Budran Zh. Mechanical influence on microorganisms in cultivation. Biotekhnologiya [Biotechnology]. 2007, no. 5, pp. 78-85 (in Russ.).

6. Menshutina N.V., Guseva E.V., Nizhegorodova T.A., Budran Zh., Gorgien Zh.L., Gedon E., Delone S. Mathematical modeling of L-glutamine acid production. Izvestiya vysshykh uchebnykh zavedeny. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya [News of Universities. Chemistry and Chemical Technology Research-Engineering Journ.]. 2007, vol. 50, pp. 93-98 (in Russ.).

7. Yarovenko V.L. Theory and practice of continuous cultivation of microorganisms in industrial alcoholic processes. Advances in Biochemical Engineering. Springer Berlin Heidelberg Publ., 1978, vol. 9, pp. 1-30.

8. Warren R.K., Macdonald D.G., Hill G.A. The design and costing of a continuous ethanol process using wheat and cell recycle fermentation. Bioresource Technology. 1994, vol. 47, no. 2, pp. 121 -129.

9. Menshutina N.V., Tarutina N.V., Sofiev A.E. Analysis of the Performance Stability of Membrane Bioreactors. Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii [Theoretical Foundations of Chemical Engineering]. 2008, vol. 42, no. 3, pp. 251-256.

10. Menshutina N.V., Toptunov V.N., Batin S.E., Guseva E.V. “Pharm System” data portal for equipment selection. Programmnyeprodukty i sistemy [Software & Systems]. 2009, no. 1 (85), pp. 68-69 (in Russ.).

Реклама

НИИ «Центрпрограммсистем» - крупнейшая IT-компания Тверского региона; более 20 лет опыта работы в области защиты информации; собственная лаборатория, отвечающая всем нормативным требованиям; проведение всех мероприятий по защите государственной тайны в соответствии с действующими требованиями ФСБ и ФСТЭК; все необходимые сертификаты и лицензии на работы по защите государственной тайны; современная контрольно-измерительная аппаратура, включая сертифицированные ФСТЭК России автоматизированные комплексы.

НИИ «Центрпрограммсистем» осуществляет полный комплекс работ по защите государственной тайны:

- аттестационные испытания на соответствие требованиям безопасности с выдачей аттестата соответствия;

- специальные проверки для выявления технических средств перехвата информации (закладных устройств);

- специальные исследования для выявления возможных каналов утечки информации посредством побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН).

Подробности на сайте www. cpstver. ru Телефон: (4822) 69-06-23

204

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.