Математические модели биологических и биотехнологических объектов Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 519.95+62-501.72+574.6

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКИХ И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

© А.А. Арзамасцев

Ключевые слова: математическая модель; биологический объект; параметрическая идентификация; вычислительный эксперимент.

Приведены впервые разработанные автором математические модели различных биологических и биотехнологических объектов. Данные модели были использованы для получения новой информации в научной и производственной сферах.

§ 1. Математическая модель информационной системы и ее использование для объяснения возможной причины четырехбуквенности генетического кода

В различных естественных и искусственных информационных системах имеется различное число букв. Например, лингвистические системы: в русском языке 33 буквы, английском - 26, а в 40-томном словаре китайского языка «Чжунвэнь дацзидянь» приведено 49905 иероглифов. Компьютерные системы базируются на двухбуквенном алфавите, но известны компьютеры, работающие в троичной системе счисления. Информационная система живых организмов базируется на записи информации в цепочках ДНК (РНК) с помощью четырехбуквенного алфавита, буквами которого являются химические основания - нуклеотиды: аденин, цитозин, гуанин, тимин (урацил).

Возникает естественный вопрос: почему в той или иной информационной системе имеется определенное число букв? Попытаемся ответить на него при помощи построения простой математической модели информационной системы и ее анализа.

Любая информационная система состоит как минимум из двух компонент - информационной последовательности (программы), в которой с помощью знаков (букв) используемого алфавита записывается информация, и декодирующей машины, переводящей данное сообщение на язык конечного пользователя. Наличие этих компонент прослеживается во всех известных информационных системах - компьютерной, лингвистических, биологической.

Возникает необходимость в нахождении компромисса между малым количеством букв в алфавите (и), что упрощает декодирующую машину, но приводит к большим по длине информационным последовательностям, и большим и, что сокращает длину последовательности, но усложняет информационную машину. Общим итогом такой оптимизации (компромисса) является получение минимума одного из параметров суммарной информационной компоненты, представляющей собой сумму соответствующих параметров декодирующей машины и самой программы (рис. 1.1).

Пусть необходимо закодировать в информационную последовательность N различных возможностей.

Если для этой цели будет использован и-буквенный алфавит, то длину информационной последовательности можно вычислить по формуле:

Ь = 1о&и(Л0 = 1п(^)/1д(и) . (1.1)

Объем записи (программы) на носителе пропорционален ее длине, то есть:

V = к1 / 1п(и) . (1.2)

Сложность, а следовательно, и объем информационной машины, осуществляющей расшифровку информации, тем больше, чем больше и. Предполагая,

V, Ц

Рис. 1.1. Зависимости объемов Vi , ¥т и общего объема информационной составляющей V\ (по оси ординат), от числа букв п в алфавите

Селективный механизм

Рис. 1.2. Конструкция декодирующей машины

что такая машина устроена по принципу револьверного барабана, т. е. имеется и селективных элементов, каждый из которых настроен на идентификацию определенной буквы, получим, что объем машины:

Ут = к2и . (1.3)

«Конструкция» такой машины схематично показана на рис. 1.2. Буквы условно показаны различными цветами. Их идентификация заключается в повороте вала селективного механизма до совпадения цветов в последовательности и селективном механизме.

В уравнениях (1.2) и (1.3) к!, к2 - константы пропорциональности, зависящие от способа реализации информационной системы.

Полный объем, занимаемый информационной системой, будет:

V, = V,. + Ут = к1/1п(и) + к2и . (1.4)

Зависимости от и двух составляющих (У, и Ут) показаны на графиках (рис. 1.1). Из графиков видно, что зависимость У,(и) является убывающей, в то время как Ут(и) возрастает, так что суммарная зависимость У(и) всегда является унимодальной, имеющей один минимум, соответствующий наиболее компактной реализации информационной системы.

Таким образом, существует оптимальное число букв в алфавите информационной системы - и (рис. 1.1), обеспечивающее ее наиболее компактную реализацию.

Замечания. 1) Общая картина, показанная на рис. 1.1, сохранится и в случае нелинейной зависимости Ут(и); важно, чтобы эта зависимость являлась во всех случаях возрастающей. 2) Коэффициент к1 зависит от общего числа возможностей N, закодированных в программе. Это означает, что при использовании одной декодирующей машины оптимальное количество букв в алфавите информационной системы зависит от длины сообщения. 3) По всей видимости, для многих информационных систем компактность их реализации может означать не только «экономию свободного пространства», но и такие важные факторы, как энерго- и материалоемкость системы, а также относительную долю используемого пространства для случая, когда информационная система представляет собой часть объекта, для нужд которого она создана.

В качестве примера для иллюстрации изложенных здесь принципов покажем, что информационная система биологических объектов, по всей видимости, имеет оптимальное число букв [2, 3]. Напомним, что информационной последовательностью в биологической информационной системе является последовательность нуклеотидов в ДНК, а декодирующей машиной рибосома [1, 4].

Покажем, что минимум суммарного объема информационной составляющей для некоторых биологических объектов приходится на и = 4. Если окажется, что это так, то, следовательно, Природа, проектируя молекулярный механизм передачи информации, пыталась осуществить его компактную реализацию, решая таким образом задачу одномерной оптимизации.

Проведем идентификацию параметров и коэффициентов уравнений (1.2) - (1.4) на основе известных дан-

ных так, чтобы уравнение (1.4) представляло собой функцию только одной переменной - и. Коэффициент к1 определим из рассмотрения вторичной структуры ДНК (радиус цилиндра равен примерно 1 нм, а длина ДНК, приходящаяся на один нуклеотид, составляет

0.34 нм) [1, 5]. Поскольку информационной машиной клетки является рибосома, линейный размер которой составляет примерно 18-10-9 м, а объем 3Т0-24 м3 [8], найдем и к2. С учетом этих значений получим окончательное выражение для V,.

V, = [10-31п(А)Лп(и) + 0,75 и]10-24 . (1.5)

Функция, представленная уравнением (5), имеет минимум тогда, когда минимально выражение, стоящее в квадратных скобках. Найдем, при каком и это выражение минимально. Для этого определим производную dVtМи и приравняем ее к нулю

+0,75 = 0. (,.«)

dи и ■ 1п (и)

Последнее уравнение возможно решить лишь численными методами, и если доверить это дело компьютеру, то при 1п(А0 = 5765 действительно получим и ~ 4.

Теперь стоит обсудить приведенную здесь величину 1п(Л0. Напомним, что N представляет собой общее количество закодированных в геноме возможностей. Нетрудно показать, что приведенная величина 1п(А) соответствует цепочке ДНК длиной примерно 4200 пар нуклеотидов (букв). Программа такой длины характерна для простейших организмов, ДНК митохондрий и некоторых вирусов. Значения суммарного объема V, соответствующие значениям и, равным 3, 4 и 5, практически одинаковы, т. е. чувствительность V, к и при 3 < и < 5 крайне мала. Поэтому могло бы быть выбрано практически любое значение и из этой области. Реализация выбора в пользу и = 4 позволяет получить дополнительную степень свободы при небольших изменениях длины цепи ДНК, без нарушения общей оптимальности. Так, при значениях параметров, принятых в этой статье, минимум выражений (1.4) и (1.5) достигается при и = 4 (при условии, что и - целое), если длина цепочки ДНК изменяется в довольно широких пределах -от 3100 до 5400 оснований или пар оснований.

Таким образом, исходя из самых общих соображений о конструкции информационной системы, показано, что в алфавите любой информационной системы существует оптимальное число букв, обеспечивающее ее наиболее компактную реализацию. Показано также, что четырехбуквенный код, имеющий место в информационных последовательностях ДНК, является оптимальным в смысле минимума объема суммарной информационной «начинки» клетки. Указанная оптимальность выполняется лишь для простейших ДНК. Этот факт может служить косвенным доказательством того, что именно такие ДНК (а не более сложные) являлись объектом «проектирования» на одном из ранних этапов биологической эволюции.

ЛИТЕРАТУРА К § 1

1. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж, Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж

Молекулярная биология клетки. Т. 1-5. М.: Мир, 1986.

Арзамасцев А.А. Почему код ДНК содержит четыре буквы? // Журнал Общей Биологии. 1995. Т. 56. № 4. С. 405-410.

Арзамасцев А.А. Природа оптимальности кода ДНК // Биофизика. 1997. Т. 42. Вып. 3. С. 611-614.

Волькенштейн М.В. Биофизика. М.: Наука, 1988.

Флиндт Р. Биология в цифрах. М.: Мир, 1992.

QT — F(Tm - T)/ V — D(Tm - T) Qx = F(Xin - X)/ V = D(Xm - X) Qs — F(Sin - S)/ V = D(Sin - S)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

§ 2. Математические модели аутостабилизации температуры в биотехнологических объектах1

Модель саморегулирования температуры в непрерывном биореакторе. Математическая модель, которая использована в данном разделе, описана в работах (Arzamastsev A.A. and Kristapson M.G. 1993, Арзамасцев А.А. 1996). Ранее ее применяли для анализа периодических режимов. В данной диссертации с ее помощью будут исследованы непрерывные режимы работы биореактора.

Модель имеет следующий вид:

Qc = F(Cm - C)/V = D(Cm - C)

(2.15)

dT

— Ц r

dt cp

XH kP (T - Text)

cpV

+ QT

dX

dt

dS_

dt

dH m dt

= H rX + Q.

Y

X

r ■ X + Qs

dHm

Hm (T) -HmJ/ ©1,-^ ^ 0 H m (T) -Hm ]©2, < 0

dC

dt

= KLa (C *-C) - qQ + qc

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

с начальными условиями:

T(0) = T0, X(0) = X0, S(0) = S0, H'm(0) = hTq, C(0) = Cq.

H’mSC

Цг (S + Ks )(C + Kc )

qo2 = X ( ß+a)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Hm (T) — a exp(-E /RT) - a2 exp(-E2 /RT) (2.9)

Y(T) —1,4765 -0,02353 (T - 273,15) (2.10)

C (T) —14,438 - 0,34755 • T +

+ 4,6557 • 10-3 • T2 - 2,62965 • 10-5 • T3

(2.11)

1 Данный раздел написан совместно с аспиранткой Е.Н. Альбицкой.

Идентификация параметров математической модели произведена в работах (Arzamastsev A.A. and Kristapson M.G. 1993, Арзамасцев А.А. 1996) на основе экспериментальных данных Рылкин С.С. и др. 1973). Параметры модели приведены в табл. 2.1.

В модели использовали следующие начальные условия: Tq = 32 °С, Xq = 15 г/л, Sq = 50 г/л, = 0 ч-1,

Cq = 7,22 мг/л и концентрации биомассы и кислорода во входном потоке биореактора: Xin= 0 г/л, Cin= 0 мг/л.

Математическая модель реализована в виде программы на языке Borland Delphi. Для решения системы дифференциальных уравнений использовали метод Рунге - Кутта четвертого порядка с постоянным шагом. Шаг был выбран из соображений необходимой погрешности решения дифференциальных уравнений.

Исследовали поведение объекта в условиях различных температур во входном потоке, внешних температур, концентраций субстрата во входном потоке и удельных разбавлений.

На рис. 2.1 представлена зависимость температуры в биореакторе от времени при различных значениях температуры во входном потоке при: a) - Text = 33 °С и b) - Text = 20 °С. Из рисунков видно, что аутостабилизация температуры в непрерывном режиме имеет место не во всех случаях.

Таблица 2.1

Параметры Обо- зна- чения Значения Единицы измерения

Суммарный тепловой эффект биохимической H 17000 кДж/кг

реакции

Константы Михаэлиса для:

- субстрата, Ks 1,5 г/л

- кислорода Kc 0,9 г/л

Постоянные времени: ©1 10,5 ч

©2 0,2 ч

Предэкспоненциальные a1 4,4321015 ч-1

множители: a2 2,7121031 ч-1

Энергии активации: E1 95000 кДж/кмоль

E2 190000 кДж/кмоль

Удельная теплоемкость

жидкой фазы c 4,19 кДж/кг-K

Плотность жидкой фазы p 1000 кг/м3

Объем биореактора V 1,510-3 м3

Коэффициент теплопередачи через стенку k 7,733 кДж/ч^К

Поверхность теплообмена м2

реактора P 0,073

Потребление кислорода на:

- эндогенное дыхание, a 0,24 мг/г^ч

- экзогенное дыхание ß 1150 мг/г

Объемный коэффициент

теплопередачи KLa 250 ч-1

Так, в случае 1 (рис. 2.1 а) саморегулирование наблюдается, начиная с нулевой температуры во входном потоке, что фактически соответствует замерзанию жидкой фазы. Однако выход реактора на режим аутостабилизации достаточно длителен и составляет около 10 часов. Время выхода на режим аутостабилизации сокращается по мере увеличения температуры жидкости во входном потоке. В некоторых случаях, в частности при температурах во входном потоке 0-20 °С, наблюдается первоначальное снижение температуры в реакторе, и только после того как биологический объект выходит на активный режим по скорости процесса, температура вновь поднимается.

При высоких температурах жидкой фазы во входном потоке (30 °С и выше) температура в биореакторе начинает повышаться сразу. Наблюдается перерегулирование, т. е. сначала температура превышает супраоп-тимальную температуру в биореакторе примерно на 1,5-2 °С, а затем выходит на ее уровень. При температурах жидкой фазы во входном потоке 50 °С и выше биологический объект «не справляется» со значительным количеством тепла, приходящего извне, и наблюдаемая в реакторе температура превышает температуру саморегулирования, составляющую в данном случае

40,5 °С. Однако на кривых 5, 6 также заметна тенденция биологического объекта к выравниванию температуры. Эта способность теряется при Ти= 60 °С (кривая 7).

Таким образом можно сделать заключение, что при довольно значительных изменениях температуры во входном потоке - от 0 до 50 °С биологический объект обладает способностью к самопроизвольному выравниванию этого фактора.

Рис. 2.1 Ь) отличается от рис. 2.1 а) значением величины внешней температуры. Видно, что при Ты, = 20 °С в случае 1 при малом значении температуры во входном потоке биореактор не выходит на режим аутостабилизации. А при значениях Ти от 2 до 60 °С объект имеет способность к саморегулированию температуры. Далее, при Ти = 60 °С и выше эта способность теряется.

В целом, для зависимостей, приведенных на рис. 2.1 а), время выхода на режим саморегулирования при одинаковых значениях прочих параметров меньше, чем для рис. 2.1 Ь).

На рис. 2.2 показано, как меняется температура в биореакторе при различных внешних температурах. Видно, что при значении внешней температуры 5 °С биологический объект не справляется с ее выравниванием внутри биореактора, хотя такая тенденция наблюдается во временном интервале от 5 до 15 часов. Кривая 2, соответствующая Тех, = 10 °С (рис. 2.2), показывает, что вначале температура биологического объекта также начинает снижаться. Однако по мере активизации ферментных систем микроорганизмов, биологический объект справляется с неблагоприятными воздействиями внешней среды и выравнивает температуру до заданного уровня. Такая же тенденция наблюдается и при температурах 20-30 °С. При больших температурах биологический объект стремится выравнивать температуру в сторону снижения. Это заметно на кривых 4-6 при температурах внешней среды 30-50 °С. На кривой 7, когда температура внешней среды становится более 60 °С, видно, что биологический объект «не справляется» и температура в реакторе возрастает.

На рис. 2.3 а) показана обобщенная зависимость температуры внутри реактора от внешней температуры, полученная на основе 14 вычислительных экспериментов. В качестве температуры внутри реактора брали ее значение в установившемся режиме, который в вычислительных экспериментах наблюдался при ґ > 180 ч.

0 5 10 15 20 25 30 35

t,4

a)

b)

Рис. 2.1. Зависимость температуры в биореакторе от времени при различных значениях температуры во входном потоке. D = 0,07 ч“1, Sj„ = 50 г/л. a) - Text = 33 °C. Номера линий соответствуют различным значениям Т,„: 1 - 0, 2 - 10, 3 - 20, 4 -30, 5 - 40, 6 - 50, 7 - 60 °C. b) - Тех, = 20 °С. Номера линий соответствуют различным значениям Т,„: 1 - 1, 2 - 2, 3 - 5, 4 -10, 5 - 20, 6 - 40, 7 - 60, 8 - 70 °С

О 5 50 І5 20 25 30 35

Рис. 2.2. Зависимость температуры в биореакторе от времени при различных значениях внешней температуры. Tin = 20 °C, D = 0,07 ч“1, Sin = 50 г/л. Номера линий соответствуют различным значениям Text: 1 - 5, 2 - 10, 3 - 20, 4 - 30, 5 - 40, 6 - 50, 7 - 60 °C

Text. °С

a

b)

Рис. 2.3. а) - Зависимость температуры внутри биореактора от внешней температуры. Tin = 20 °С, D = 0,07 ч-1, Sirl = 50 г/л. b) - Зависимость максимальной удельной скорости роста микроорганизмов от температуры (уравнение (9) при а1 = = 4,4321015 ч“1, а2 = 2,7121031 ч-1, E1 = 95000 кДж/кмоль, Е2 = 190000 кДж/кмоль). Т - супраоптимальная температура

Прямая линия 1 соответствует полностью инертному объекту, линия 2 - объекту, способному самопроизвольно поддерживать температуру на уровне 39,5-40 °С. Анализ этого рисунка позволяет сделать вывод о том, что биологический объект сохраняет способность к саморегулированию при внешних температурах от 6 до 55 °С, в то время как диапазон активного роста таких микроорганизмов составляет 24-42 °С - рис. 2.3 b). Отметим, что супраоптимальная температура примерно на 5,5 °С превышает температуру, необходимую для максимальной скорости роста таких микроорганизмов.

О 5 10 15 20 25 30 35

Рис. 2.4. Зависимость температуры в биореакторе от времени при различных значениях концентрации субстрата во входном потоке. ТеМ = 33 °С, Ти = 20 °С, В = 0,07 ч-1. Номера линий соответствуют различным значениям Sin: 1 - 10, 2 - 20, 3 - 30, 4 - 50 г/л

□ 5: 10 15 20 25 30 35

Рис. 2.5. Зависимость температуры в биореакторе от времени при различных значениях удельного разбавления. Тех, = 33 °С, Ти = 20 °С, Sin = 50 г/л. Номера линий соответствуют различным значениям В: 1 - 0,01, 2 - 0,05, 3 - 0,07, 4 - 0,09, 5 -0,11, 6 - 0,12, 7 - 0,13, 8 - 0,14 ч-1

Очевидно, что на процесс саморегулирования температуры в биореакторе существенным образом должна влиять концентрация субстрата во входном потоке -основного источника энергии. На рис. 2.4 показана зависимость температуры в биореакторе от времени при различных значениях концентрации субстрата во входном потоке. Видно, что объект обладает способностью к саморегулированию при концентрации субстрата, начиная с 20 г/л. При больших концентрациях Siи кривые имеют идентичный характер. Однако при низких значениях концентрации субстрата (10 г/л), в результате лимитирования скорости процесса и скорости тепловыделения этим фактором, биологический объект сначала выходит на заданный температурный режим, а потом, ввиду ограниченности скорости тепловыделения, температура в реакторе начинает снижаться и достигает уровня, не соответствующего температуре аутостабилизации. В других случаях, при концентрации субстрата 20-50 г/л во входном потоке, объект выходит на квазистатический режим и сам поддерживает температуру.

т,°с

Рис. 2.6. Зависимость температуры в биореакторе от времени и других факторах: а) - температуры во входном потоке при Т<а± = 33 °С, D = 0,07 ч-1, Sin = 50 г/л; b) - внешней температуры при Tin = 20 °С, D = 0,07 ч-1, Sin = 50 г/л; с) - удельного разбавления при Text = 33 °С, Tin = 20 °С, Sin = 50 г/л; d) - температуры во входном потоке при Text = 20 °С, D = 0,07 ч-1, Sin = 50 г/л

Удельным разбавлением называется отношение расхода жидкой фазы (субстрата) через биореактор, работающий в непрерывном режиме, к его объему. Поскольку эта величина обратно пропорциональна среднему времени пребывания жидкой фазы в реакторе, то способность биообъекта к саморегулированию температуры должна существенным образом зависеть от этого параметра.

На рис. 2.5 показана зависимость температуры в биореакторе от времени при различных значениях удельных разбавлений. Видно, что с увеличением удельного разбавления значение супраоптимальной температуры может снижаться, что не наблюдалось при исследовании саморегулирования в периодическом режиме.

Данный вывод является очень важным, поскольку супраоптимальная температура, наблюдаемая для биологического объекта в периодическом режиме, существенно отличается от температуры, соответствующей максимальной скорости роста микроорганизмов (Arzamastsev A.A. and Kristapson M.G. 1993, Арзамасцев А.А. 1996) (см. также рис. 2.3 b). Это отличие составляет в среднем 8,8 оС для прокариот и 12,5 оС для эукариот (Arzamastsev A.A. 1994). Данное обстоятельство не позволяет непосредственно использовать способность биологических объектов к саморегулированию для управления технологическими процессами. Однако, учитывая, что, например, при D = 0,13 1/ч (кривая 7 (рис. 2.5)) супраоптимальная температура становится равной 37,5 °С, можно сказать, что этот режим обеспечивает одновременно и максимальную скорость роста микроорганизмов (см. рис. 2.3 b). Указанное обстоятельство в принципе позволяет непосредственно ис-

пользовать саморегулирование температуры для ее поддержания в технологических процессах.

На рис. 2.6 a) - d) показаны зависимости температуры внутри биореактора от времени и других параметров процесса. Часть горизонтальной плоскости, ограниченная линией ABCD, представляет на этих рисунках область, в которой наблюдается саморегулирование. Интересно отметить, что лишь при различных удельных разбавлениях D (рис. 2.6 с) такая плоскость не является горизонтальной, а наклонена под некоторым углом к оси D, что свидетельствует о существовании зависимости супраоптимальной температуры от этого параметра. Из рис. 2.6 а) и b) видно, что характер выхода на режим аутостабилизации различен. В некоторых случаях сначала наблюдается снижение температуры, а затем ее рост до значения T , в то время как в других случаях сразу наблюдается повышение температуры с последующим выходом на значение T .

Как было установлено из рис. 2.5 и рис. 2.3 b), в отличие от биореактора периодического типа (Arzamastsev A.A. and Kristapson M.G. 1993, Арзамасцев А.А. 1996), в биореакторе непрерывного типа в процессе аутостабилизации могут наблюдаться различные суп-раоптимальные температуры. Например, из рис. 2.6 с) видно, что при различных удельных разбавлениях температура может быть в принципе снижена с 41,5 до

37,5 °С. Эта супраоптимальная температура (37,5 °С) в значительно большей степени соответствует максимальной скорости роста указанных биологических объектов и как следствие удельной продуктивности процесса. Поскольку биохимические реакторы непрерывного типа обычно работают в статическом режиме, было бы желательно проанализировать статические

режимні по основным параметрам, таким как концентрация биомассы, субстрата, растворенного кислорода, а также удельная продуктивность для этого реактора. На рис. 2.7 и рис. 2.8 показаны расчеты статических элементов, определенных по модели (2.1) - (2.15) при ^ <іС dS п ~ _

---=-----= — = 0 . На рис. 2.7 эти статические режи-

dt dt dt

мы представлены для случая принудительного поддержания температуры на уровне, соответствующем максимальной скорости роста (см. рис. 2.3 Ь). На рис. 2.8 представлены те же характеристики, но при условии, что биохимический реактор сам поддерживает температуру внутри реакционного объема.

На рис. 2.7 а) и рис. 2.8 а) показана зависимость концентрации биомассы от удельного разбавления. Видно, что в режиме принудительного поддержания температуры концентрационная характеристика принимает положительные значения при значениях удельного разбавления более 0,15 ч-1, в то время как на рис. 2.8 соответствующая характеристика принимает нулевое значение уже при Б примерно 0,135 ч-1, что соответствует режиму полного вымывания биологических объектов из биореактора. На рис. 2.7 Ь) и рис. 2.8 Ь) так же хорошо видно, что концентрационная характеристика в режиме саморегулирования температуры имеет более крутой наклон, что, в общем-то, свидетельствует

о высокой скорости протекания процесса. На рис. 2.7 с), рис. 2.8 с) видно, что в режиме, когда температура поддерживается на заданном значении, концентрация растворенного кислорода при соответствующих Б значительно меньше, чем на рис 2.8 с). Это свидетельствует о том, что биохимический процесс идет более эффективно, когда температура поддерживается с помощью средств регулирования. На рис. 2.7 і), рис. 2.8 іі) показаны температурные зависимости. Видно, что в первом случае температура постоянна, что совершенно естественно, поскольку она поддерживается средствами автоматизации. Во втором случае видно, что температура снижается, и при Б = 0,14 ч-1 она принимает значение практически равное температуре на входе. Учитывая зависимость скорости роста биологических объектов от температур, показанную на рис. 2.3 Ь), можно констатировать, что рабочей точкой процесса в случае аутостабилизации было бы удельное разбавление = примерно 0,125 ч-1. Однако при этом существует опасность того, что при некотором увеличении разбавления биологические объекты будут полностью вымываться из биохимического реактора. На рис. 2.4 е), 2.5 е) показаны значения удельной продуктивности, т. е. количество выработанной биомассы биологического объекта в единицу времени на единицу объема. Видно, что эти характеристики сильно различаются. В частности при принудительном термостатировании максимальное значения удельной продуктивности практически в два раза больше, чем максимальное значение удельной продуктивности в случае аутостабилизации температуры, и оно наблюдается при меньших удельных разбавлениях 0,05 ч-1, в то время как при аутостабилизации температуры оптимальным с точки зрения удельной продуктивности является значение удельного разбавления примерно 0,125 ч-1. Однако можно сделать вывод, что, по сравнению с биохимическим реактором периодического типа, удельная продуктивность снижа-

ется всего лишь в два раза, что в принципе делает возможным использовать самопроизвольную способность биологического объекта в поддержании температуры в различных технологиях.

На рис. 2.9 и 2.10 - а) показано изменение концентрации биомассы в реакторе в режиме аутостабилизации при различных внешних температурах (28 и 38 °С). Основное отличие наблюдается в критических значениях удельного разбавления, при котором концентрация биомассы становится равной нулю. При внешней температуре 28 °С это значение равно 0,125 ч-1, в то время как при внешней температуре 38 °С оно увеличивается и составляет 0,15 ч-1. Что касается уровней концентраций (рис. 2.9 и рис. 2.10 - а), то видно, что при малых значениях удельного разбавления концентрационная зависимость Х(В) при Тех1 = 28 °С проходит выше, чем при Тех, = 38 °С, т. е. в этом случае в биореакторе реализуются более высокие концентрации биомассы. Противоположные по знаку зависимости получены для концентрации субстрата. Видно, что при Тех, = 28 °С концентрационная кривая по субстрату проходит ниже концентрационной кривой по субстрату для Тех, = 38 °С. Критические точки для удельного разбавления 0,125 ч-1 и 0,15 ч-1 аналогичны для зависимостей Х(В) и S(D). На рис. 2.9, 2.10 с) показаны графики для концентрации растворенного кислорода. На рис. 2.9 с) зависимость С(В) проходит ниже, чем на рис. 2.10 с), что говорит о более интенсивном режиме работы реактора. Это так же видно на рис. 2.9 и 2.10 - е) по удельным продуктивностям биомассы. На рис. 2.9, 2.10 - ф показаны графики изменения температуры, которая находится в обоих случаях на уровне аутостабилизации.

На рис. 2.11 и 2.12 - а) показано изменение концентрации биомассы в реакторе в режиме аутостабилизации при различных значениях температуры во входном потоке (15 и 25 °С). Основное отличие здесь также наблюдается в критических значениях удельного разбавления, при котором концентрация биомассы становится равной нулю. При температуре во входном потоке 15 °С это значение равно 0,125 ч-1, в то время как при температуре во входном потоке 25 °С оно увеличивается и составляет 0,15 ч-1. Уровни концентраций Х(В) и S(D) (рис. 2.11 и рис. 2.12 - а, Ь) различаются несущественно, в то время как интенсивность работы реактора в первом случае выше, что можно видеть по графикам удельной продуктивности (рис. 2.11, 2.12 - е) и концентрации растворенного кислорода (рис. 2.11, 2.12 - с).

Таким образом, в данном разделе осуществлено исследование саморегулирования (аутостабилизации) температуры микроорганизмами в биореакторе непрерывного типа:

- проведен анализ явления при различных значениях параметров: внешней температуре, температуре жидкой фазы во входном потоке, концентрации субстрата и т. д., в ходе которого определены границы существования этого явления;

- обнаружено, что в периодическом режиме работы биореактора температуры, наблюдаемые в процессе саморегулирования, вполне могут соответствовать температурам, доставляющим максимальную удельную скорость роста используемых микроорганизмов; это

обстоятельство позволяет надеяться на возможность практического использования явления саморегулирования;

- поскольку непрерывный биохимический реактор может представлять собой (по крайней мере, в пла-

не температурного режима) упрощенную модель живой клетки (Arzamastsev A.A. 1995), полученные выводы с определенной долей вероятности можно экстраполировать и на режимы температурного гомеостаза отдельной живой клетки (например, клетки ткани).

0 0.05 0.1 0.15 D, ч-1 0 °-°5 °-1 0 ,5

d)

0 0.05 0.1 0.15 D.4-1

О 0,05 0.1 0,15 D.4-1

0 0,05 0,1 0,15 D.4-1

Рис. 2.7. Статические характеристики биореактора, работающего при постоянной температуре T = 34,5 oC при различных удельных разбавлениях D, ч-1: а) - концентрация биомассы, b) - концентрация субстрата, с) - концентрация растворенного кислорода, d) - температура, е) - удельная продуктивность. Значения параметров процесса: Xin = 0 г/л, Sin = 50 кг/м3, Cin = = 0 мг/л, Tin = 20 oC, TeX, = 33 oC, KLa = 250 ч-1

0 0.05 0.1 0.15 d.4-1

Рис. 2.8. Статические характеристики биореактора, работающего в режиме аутостабилизации температуры, при различных удельных разбавлениях Б, ч-1: а) - концентрация биомассы, Ь) - концентрация субстрата, с) - концентрация растворенного кислорода, і) - температура, е) - удельная продуктивность. Значения параметров процесса: Хіп = 0 г/л, Sin = = 50 кг/м3, Сіп = 0 мг/л, Тіп = 20 °С, Тех1 = 33 °С, Кьа = 250 ч-1

0 0.05 0.1 0.15 D, ч-1

О 0.05 0.1 0.15 в, ч-1

О 0,05 0.1 0,15 D.4-1

О 0,05 0,1 0,15 D.4-1

Рис. 2.9. Статические характеристики биореактора, работающего в режиме аутостабилизации температуры, при различных удельных разбавлениях D, ч-1: а) - концентрация биомассы, b) - концентрация субстрата, с) - концентрация растворенного кислорода, d) - температура, е) - удельная продуктивность. Значения параметров процесса: Xin = 0 г/л, Sin = = 50 кг/м3, Cin = 0 мг/л, Tin = 20 oC, Texl = 28 oC, KLa = 250 ч-1

0 0.05 0.1 0.15 d.4-1

0 0.05 0.1 0.15 D.4-1

Рис. 2.10. Статические характеристики биореактора, работающего в режиме аутостабилизации температуры, при различных удельных разбавлениях D, ч“1: а) - концентрация биомассы, b) - концентрация субстрата, с) - концентрация растворенного кислорода, d) - температура, е) - удельная продуктивность. Значения параметров процесса: Xin = 0 г/л, Sin = 50 кг/м3, Cin = 0 мг/л, Tin = 20 oC, Texl = 38 oC, KLa = 250 ч“1

О 0,05 0,1 0,15 о,ч-1

О 0,05 0.1 0.15 с, ч-1

О 0,05 0,1 0,15 с. и-'

О 0.05 0.1 0,15 о,ч-1

О 0,05 0.1 0.15 о,ч-'

О 0,05 0,1 0,15 0,4-1

О 0,05 0,1 0,15 0,4-1

О 0,05 0,1 0,15 и. ч-1

Рис. 2.11. Статические характеристики биореактора, работающего в режиме аутостабилизации температуры, при различных удельных разбавлениях В, ч-1: а) - концентрация биомассы, Ь) - концентрация субстрата, с) - концентрация растворенного кислорода, ф - температура, е) - удельная продуктивность. Значения параметров процесса: Хи = 0 г/л, Sin = 50 кг/м3, Си = 0 мг/л, Ти = 15 0С, Тех, = 33 0С, Кьа = 250 ч-1

Рис. 2.12. Статические характеристики биореактора, работающего в режиме аутостабилизации температуры, при различных удельных разбавлениях В, ч“1: а) - концентрация биомассы, Ь) - концентрация субстрата, с) - концентрация растворенного кислорода, ф - температура, е) - удельная продуктивность. Значения параметров процесса: Хи = 0 г/л, Sin = 50 кг/м3, Си = 0 мг/л, Ти = 25 0С, Тех, = 33 0С, Кьа = 250 ч^1

Математическое моделирование аутостабилизации температуры в смешанной популяции, состоящей из двух различных видов микроорганизмов.

Ранее нами изучены эффекты, возникающие при аутостабилизации (саморегулировании) температуры микроорганизмами одного вида, находящимися в биореакторе [1-3]. Такой объект является упрощенным, т. к. в промышленных ферментациях часто используются смешанные культуры микроорганизмов.

Поэтому в данной работе рассматривается математическая модель объекта, представляющего собой биореактор с двумя видами микроорганизмов, различающимися такими характеристиками, как скорость роста, энергия активации, их зависимость от температуры и т. д. При этом обе популяции непосредственно не взаимодействуют друг с другом, а лишь конкурируют за общий субстрат. Основные допущения, которые использованы для построения математической модели, аналогичны модели, используемой в работах [1-3]. Математическая модель такого объекта имеет следующий вид:

dT

“T“-T r1

dt cp

X 2 H 2 kp(T - Text )Q

+ Tr2------------------77-+ Qt (2Л6)

cp

cpV

^ -T r1X1 + QX,

dX 2 dt

- T r 2 X 2 + QX,

— = _bi. x 1 -Ы.. x 2+qs dt Y Y S

— - KLa (C * _C) _ дЮг _ q2O2 + qc

с начальными условиями:

Т(0) = Т0, X1(0) = X10, X2(0) = X20, S(0) = S0, C(0) = C0.

TM1(T) SC T r1 (S + Ks1 )(C + Kc1 )

tm2(t) SC

Цг 2 (T + Ks 2 )(C + Kc 2 )

Яю2 = X1 (t Г1Р1 +a1)

Ч2вг = X2 C r 2P2 +« 2 )

T m1(T ) =

- a11 exp(-E11/ RT) - a21 exp(-E21 / RT) T m 2 (T ) =

- a12 exp(-E12 / RT) - a22 exp(-E22 / RT)

(2.17)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

(2.26) (2.27)

C (T) -14,438 - 0,34755 • T +

+ 4,6557.10-3 • T2 - 2,62965.10-5 • T3

Qt - F(Tn - T)/ V - D(Tin - T)

Qx 1 - F(X 1,n - X1)/ V - D(X 1,„ - X1) Qx2 - F(X2/n - X2) / V - D(X2m - X2) Qs - F (Sn - S)/ V - D (Si„ - S)

Qc - F(Cn - C)/ V - D(Cm - C)

(2.28)

(2.29)

(2.30)

(2.31)

(2.32)

(2.33)

Биологические объекты для модели (2.16) - (2.17) подобраны таким образом, чтобы зависимости скорости роста от температуры для них имели максимум при различных значениях температуры 28 и 61 °C (рис. 2.13 Б, В). Данные взяты из работы [4]. Одна зависимость соответствует бактериям Pseudomonas [5], другая -Bacillus sp. [6]. Остальные параметры модели взяты из работ [2, 3]. Из рис. 2.13 А-Е следует, что общий вид

Рис. 2.13. Температурные зависимости удельных скоростей роста различных биообъектов в реакторе (ч-1). Точки - экспериментальные данные, линии - расчет по уравнению Аррениуса:

A) - смешанная культура Pseudomonas [7] - а1 = 9,427'1015 ч-1, а2 = 5,776 1031 ч-1, E1 = 95000 кДж/кмоль, Е2 = 190000 кДж/кмоль; Б) - Pseudomonas [5] - а1 = 1,363 1012 ч-1, а2 = = 8,23 1035 ч-1, E1 = 69325 кДж/кмоль, E2 = 210000 кДж/кмоль;

B) - Bacillus sp. [6] - а1 = 5,498 109 ч-1, а2 = 4,9171044 ч-1, Ex = = 62000 кДж/кмоль, E2 = 290000 кДж/кмоль; Г) - Escherichia coli на богатой среде [8] - а1 = 3,1171016 ч-1, а2 = 5,382 1033 ч-1, E1 = 95000 кДж/кмоль, E2 = 200000 кДж/кмоль; Д) - Candida tropicalis [9]; E) - смешанная культура дрожжей [10] - а1 = = 1,468710й ч-1, E1 = 68000 кДж/кмоль (только левая часть кривой). Идентификация энергий активации и предэкспонен-циальных множителей для всех данных [4]

зависимостей скорости роста от температуры является идентичным для различных микроорганизмов. Отличия касаются лишь цшах и температуры, соответствующей |1™х указанное обстоятельство позволяет надеяться на то, что результаты моделирования обладают значительной общностью.

Необходимо отметить также, что поскольку данную математическую модель мы планируем использовать лишь для предварительных расчетов температурного режима (на качественном уровне), здесь не ставилась задача проверки ее адекватности и потому не используются уравнения, учитывающие инерционность скоростей роста при изменении температуры.

В модели использовано следующее начальное условие: С0 = 7,22 мг/л и концентрации биомасс и кислорода во входном потоке биореактора: Хш= 0 г/л, Х2іп= = 0 г/л, Сіп= 0 мг/л. Другие параметры модели (2.16) -(2.33) приведены в табл. 2.2.

Для численного решения уравнений математической модели (2.16) - (2.33) разработали специальную программу, использующую метод Рунге - Кутта четвертого порядка с автоматическим выбором шага.

На рис. 2.14 показаны динамические характеристики биореактора с двумя биообъектами при различных значениях Б0. В качестве биообъектов были взяты микроорганизмы, зависимости скорости роста от температуры которых показаны на рис. 2.13 Б) и В).

На рис. 2.14 а) изображен график изменения температуры. Как только температура достигает уровня 29 °С, что происходит примерно через 1 час, видно, что первый биообъект практически «выключается» (рис. 2.14 Ь), в это же время наблюдается экспоненциальный рост второй популяции, что видно на рис. 2.14 с). О прекращении роста биообъекта свидетельствует горизонтальная линия на рис. 2.14 Ь), начиная примерно с

1,5 часов. При этом наблюдается интенсивный рост второго биообъекта (рис. 2.14 с). Это происходит до тех пор, пока температура в биореакторе (рис. 2.14 а) не достигнет 65 °С. Этот момент соответствует примерно 9 часам от начала вычислительного эксперимента. После этого наблюдается линейный рост второго биообъекта (рис. 2.14 с), что соответствует режиму аутостабилизации температуры [3, 11]. Момент времени 16 ч соответствует полному исчерпанию субстрата при Б0 = 80 г/л (рис. 2.14 ф. В этот момент наблюдается снижение температуры в биореакторе от 69 °С до внешней температуры, которая равна 33 °С (рис. 2.14 а). Свойства первого и второго биообъектов не восстанавливаются, поскольку субстрат уже исчерпан. На графике, показывающем концентрацию кислорода от времени (рис. 2.14 ф, видно, что в начальный момент времени, когда первая и вторая культура растут наиболее быстро, концентрация кислорода падает практически до нуля. В тот момент, когда рост первой культуры останавливается вследствие повышенной температуры, наблюдается всплеск концентрации кислорода. Однако после этого, в момент времени примерно 2,5 часа, когда концентрация биомассы первого объекта становится достаточно большой, концентрация кислорода снова падает. Это означает, что вторая культура развивается очень интенсивно. Момент времени, равный примерно 9 часам, соответствует выходу биореактора на режим аутостабилизации температуры. Концентрация кислорода от этого момента и до полного исчерпания суб-

страта стабилизируется на постоянном уровне примерно 15 % от насыщения. После того как субстрат полностью исчерпан, что соответствует 16 часам, концентрация кислорода снова достигает насыщения. Указанные рассуждения верны для кривой 5, т. е. для £0 = 80 г/л. При других £0 (рис. 2.14 линии 1, 2, 3, 4) графики имеют идентичный характер, но их временные характеристики смещаются в меньшую сторону, поскольку субстрат исчерпывается быстрее.

На рис. 2.15 показаны те же зависимости, что и на рис. 2.14, но при большей начальной температуре Т0 = = 35 °С. Видно, что данные зависимости имеют существенное отличие от аналогичных зависимостей, показанных на рис. 2.14. Во-первых, поскольку начальная температура велика, то второй биообъект оказывается подавленным с самого начала. На рис. 2.15 Ь) видно, что концентрация второго биообъекта равна постоянному значению, которое фактически совпадает со значением в начальный момент времени. На концентрационных зависимостях для кислорода видно, что отсутствует локальный минимум, тот который был на рис. 2.14 е).

Таблица 2.2

Параметры Обо- зна- чения Значения Единицы измерения

Для первого биологического объекта

Суммарный тепловой эффект биохимической реакции Н1 17000 кДж/кг

Константы Михаэлиса для:

- субстрата, К81 1,5 г/л

- кислорода Ксл 0,9 г/л

Предэкспоненциальные Л11 1,363 1012 ч-1

множители: Л21 8,23 1035 ч-1

Энергии активации: Е11 Е21 69325 210000 кДж/кмоль кДж/кмоль

Потребление кислорода на:

- эндогенное дыхание, 0-1 0,24 мг/г-ч

- экзогенное дыхание р1 1150 мг/г

Экономический коэффициент 71 0,4

Для второго биологического объекта

Суммарный тепловой эффект биохимической реакции Н2 17000 кДж/кг

Константы Михаэлиса для: - субстрата, - кислорода КсС2 1,5 0,9 /л /л г/ г/

Предэкспоненциальные множители: Л12 а.22 5,498 109 4,9171044 ч-1 ч-1

Энергии активации: Е12 Е22 62000 290000 кДж/кмоль кДж/кмоль

Потребление кислорода на: - эндогенное дыхание, - экзогенное дыхание 0,24 1150 мг/г-ч мг/г

Экономический коэффициент 72 0,4

Значения параметров реакто ра и жидкой фазы

Удельная теплоемкость жидкой фазы с 4,19 кДж/кг-К

Плотность жидкой фазы р 1000 кг/м3

Объем биореактора к 1,5' 10-3 м3

Коэффициент теплопередачи через стенку к 7,733 кДж/ч-К

Поверхность теплообмена реактора Р 0,073 м2

Объемный коэффициент теплопередачи Кьа 250 ч-1

20

19

18

17

16

15

10

15

20

100

80

g 60 X

г?

o' 40 20 0

4 5 Ь)

f \

V \

\ 2 3

1

25 t, ч

10 15 20 25 t, ч

е)

_..4 5

^3 I

1

I /

0 5 10 15 20 25 1,ч

Рис. 2.14. Динамические характеристики биореактора с двумя биообъектами в периодическом режиме (О = 0) при То = 15 °С, Х10 = 15 г/л, Х20 = 15 г/л, Тгх1 = 33 °С. Номера линий соответствуют различным значениям £0: 1 - 10, 2 - 20, 3 - 40, 4 - 60, 5 - 80 г/л. а) - температура, Ь) - концентрация биомассы первого биообъекта, с) - концентрация биомассы второго биообъекта, ф - концентрация субстрата, е) - концентрация растворенного кислорода

Рис. 2.15. Динамические характеристики биореактора с двумя биообъектами в периодическом режиме (D = 0) при Т0 = 35 °С, X10 = 15 г/л, X20 = 15 г/л, Text = 33 °С. Номера линий соответствуют различным значениям S0: 1 - 10, 2 - 20, 3 - 40, 4 - 60, 5 - 80 г/л. а) - температура, b) - концентрация биомассы первого биообъекта, с) - концентрация биомассы второго биообъекта, d) - концентрация субстрата, е) - концентрация растворенного кислорода

В данном случае биореактор ведет себя фактически как биореактор с одним биологическим объектом.

Таким образом, в данной работе осуществлено исследование саморегулирования (аутостабилизации) температуры в биореакторе с двумя биообъектами в периодическом режиме:

- проведен анализ явления при различных значениях параметров: начальной концентрации субстрата, начальной температуре;

- обнаружено, что при низких начальных температурах через определенный промежуток времени одна из популяций «подавляет» другую, т. е. в определенный момент времени рост одной из популяций полностью прекращается, а концентрация популяции в этот момент начинает интенсивно возрастать;

- обнаружено, что при более высоких начальных температурах биоректор с двумя популяциями ведет себя фактически так же, как биореактор с одним биообъектом за счет того, что вымирание одной из популяций происходит практически мгновенно.

ЛИТЕРАТУРА К § 2

1. Арзамасцев А.А., Альбицкая Е.Н. Математическое моделирование саморегулирования температуры в популяциях микроорганизмов: непрерывный процесс // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 2007. Т. 12. Вып. 6. С. 709-714.

2. Arzamastsev A.A., Kristapson M.G. Computer simulation of temperature auto stabilization: an analysis of phenomenon // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1993. V. 40. P. 77-81.

3. Арзамасцев А.А. Компьютерное моделирование саморегулирования температуры в популяциях микроорганизмов. Сообщение 1: периодический режим // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 1996. Т. 1. Вып. 1. С. 71-77.

4. Арзамасцев А.А. Разработка научно-обоснованной ресурсосберегающей технологии и аппаратов утилизации отходов производства этанола: дис. ... д-ра техн. наук. Тамбов, 1998.

5. Перт С.Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир, 1978.

6. Matsche N.F., Andrews J.F. // Adv. Microbiol. Eng. Part 1. N. Y.; L.: John Wiley & Sons, Inc., 1973. P. 77.

7. Арзамасцев А.А., Бодров В.И., Попов Н.С. Кинетика роста микроорганизмов рода Pseudomonas на мелассной послеспиртовой барде // Микробиология. 1983. Т. 52. Вып. 6. С. 929-934.

8. Ingraham J.L. // J. Bacteriol. 1958. V. 78. № 3. P. 75.

9. Музыченко Л.А., Гуркин В.А., Кантере В.М., Минкевич И.Г. О температурной зависимости кинетики микробиологического синтеза // Микробиологическая пром-сть. 1971. Вып. 5. С. 10-14.

10. Арзамасцев А.А. Влияние температуры и кислотности среды на рост некоторых смешанных культур микроорганизмов // Научные достижения - производству: тез. докл. обл. науч. конф. М., 1987. С. 19.

11. Печуркин Н.С., Шкидченко А.Н. Явление аутостабилизации факторов, ограничивающих рост микробных популяций в открытых системах // Докл. АН СССР. 1976. Т. 227. № 3. С. 719-722.

§ 3. Математические модели для оптимизации биотехнологического процесса2

Рассматриваемый биотехнологический процесс представляет собой комплексную технологию утилизации отхода производства этанола с выработкой на этой основе бактериальной биомассы.

Общая постановка задачи проектирования данного процесса может быть сформулирована как разработка новой экономически оправданной технологии для утилизации отхода производства этанола, пригодной для практического использования.

2 Данный раздел написан совместно с аспиранткой Ю.В. Плотниковой.

Объект исследования, моделирования и оптимизации. На рис. 3.1 показана общая схема проектируемого биотехнологического процесса.

Описание данного технологического процесса приведено в работах [1, 2]. Мелассная послеспиртовая барда (далее субстрат) поступает со спиртового производства и направляется вначале на теплообменник, где происходит ее охлаждение. Затем субстрат поступает на участок дрожжегенерации, где на его основе производится продукт - пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Далее частично очищенный субстрат поступает на участок производства белковой биомассы (бактериальные клетки рода Pseudomonas), где происходит практически полная утилизация содержащихся в нем органических веществ и выработка гранулированной белковой биомассы.

В табл. 3.1-3.3 приведена информация об основных свойствах отхода производства этанола, а также биологических объектах, использование которых позволяет получить высокую степень конверсии отхода в целевой продукт - биомассу.

На рис. 3.2 показана упрощенная схема участка производства бактериальной биомассы, являющегося объектом оптимального проектирования и экономической оптимизации. Основными технологическими единицами являются: биореактор, в котором осуществляется выработка биомассы, термофлотатор, служащий для ее концентрирования, и сушилка-гранулятор, в которой биомасса высушивается и приобретает товарный вид.

Таблица 3.1

Химический состав отхода производства этанола

Вещества Содержание, %

Сухие вещества 8,0—8,5

Зола 2,5-3,2

Редуцирующие вещества 0,8-0,4

Нелетучие карбоновые кислоты 1,2-1,8

Летучие кислоты 0,25-0,3

Глицерин 0,4-0,5

Азот общий 0,45-0,5

Азот аминный 0,25-0,3

Окись кальция (СаО), не более 0,2-0,3

Сернистый ангидрид ^О4), не более 0,005-0,01

Нитраты, не более 0.005-0,015

Химическое потребление кислорода, ХПК мгО2/л 25000-52000

Биохимическое потребление кислорода, БПК5 мгО2/л 12000-27000

Таблица 3.2

Количество ассимилируемых углеродосодержащих веществ в отходе

Вещества Содержание, %

Общее количество ассимилируемых углеродосодержащих веществ отхода с концентрацией 8-9 % сухих веществ 2,7-3,5

В том числе:

карбоновые кислоты 1,5-2,0

аминокислоты 0,4-0,7

глицерин 0,5-0,6

сахара 0,1-0,2

прочие 0,1-0,2

Рис. 3.1. Схема биотехнологического процесса утилизации отходов производства этанола с выработкой белковой биомассы. 1 - теплообменник; 2 - биохимический реактор для производства дрожжей; 3 - резервуар; 4 - сепаратор; 5 - резервуар; 6 - сушил-ка-гранулятор; 7, 8 - биохимические реакторы для производства белковой биомассы; 9 - термофлотатор; 10 - резервуар для белкового концентрата ; 11 - сушилка-гранулятор

Рис. 3.2. Упрощенная схема биотехнологического процесса с указанием основных потоков. 1 - отход производства этанола - субстрат (ХПК ~ 55000-60000 мгО^/л, БПК5 ~ 25000-32000 мгО2/л; сухих веществ 8-12 %, объемный расход 10 м3/ч); 2 - биомасса и остаточный субстрат (концентрация биомассы 10-20 кг/м3, концентрация остаточного субстрата ХПК ~ 1000-3000 мгО2/л, БПК5 ~ 200-500 мгО2/л; объемный расход 10 м3/ч); 3 - биомасса, обогащенная двуокисью углерода; 4 - концентрированная биомасса (концентрация до 25-40 кг/м3); 5 - готовый продукт (выработка 1-1,6 т/сут., зольность - не более 26 %, содержание протеина - не менее 47 %); 6 - осветленный сток на биологическую очистку; 7 - осветленный сток после окончательного отделения биомассы; 8 - очищенная жидкость (ХПК не более 3000 мгО2/л, БПК5 не более 200-500 мгО2/л)

Таблица 3.3

Биообъекты, используемые для организации биотехнологического процесса

Группа Названия биообъектов, входящих в данную группу Примечание

1 группа Pseudomonas chlororapchis, Pseudomonas fragi, Pseudomonas liquefaciens, Pseudomonas fluorescens Смешанная культура бактериальных клеток

2 группа Oidium, Trichosporon cutaneum, Candida scotti Смешанная культура дрожжей и дрожжеподобных грибов

3 группа Candida utilis, Torulopsis pinus, Trichosporon cutaneum Смешанная культура дрожжей и дрожжеподобных грибов

-----1-----------------

Идея и основные принципы реализации технологии

Проведение предварительных экспериментальных исследований

Постановка задачи оптимального проектирования технологического процесса

Разработка математи-чесикх моделей, пригодных для проектирования

Оптимальное проектирование процесса и его практическая реализация

Изучение режимов работы технологического оборудования

Постановка задач оптимизации технологических режимов работы оборудования

Разработка математических моделей, пригодных для целей оптимизации

Определение оптимальных режимов работы оборудования и их реализация

Рис. 3.3. Основные этапы оптимального проектирования и оптимизации биотехнологического процесса при использовании математического моделирования

Решение задач оптимального проектирования и оптимизации биотехнологического процесса предполагается выполнить в соответствии с основными этапами, показанными в виде схемы на рис. 3.3.

Из анализа схем технологического процесса (рис. 3.1-3.2) и основных этапов оптимального проектирования (рис. 3.3) видно, что для реализации проекта необходимо будет разработать математические модели следующего биотехнологического оборудования: биохимического реактора, сепарирующего устройства -термофлотатора, предназначенного для концентрирования биомассы, а также сушилки-гранулятора. Однако, для того чтобы определиться со структурой этих математических моделей, степенью их детализации,

методологией разработки и т. д., необходимо осуществить математическую постановку задач оптимального проектирования и оптимизации.

Математическая постановка задачи оптимального проектирования биотехнологического процесса. В соответствии с традиционным представлением объекта моделирования в обобщенном виде задача его оптимизации может быть сформулирована следующим образом. Для заданного вектора возмущений к необходимо найти такой вектор независимых варьируемых переменных и, который минимизирует значение некоторой целевой функции 0(ю,и,у) так, что выполняется соотношение:

Q* (iw и\у)

у )= min Q(w,u

ueU (w)

у)

(3.1)

где у - вектор выходных переменных объекта, и - допустимая область для варьируемых переменных.

При этом должны выполняться уравнения связи, характеризуемые математической моделью объекта

у = Y(w, и, p )

(3.2)

ограничения, наложенные на независимые варьируемые параметры

R1 (w, и )> 0 R2 (w, и )> 0

Rk (w,и)>0

и выходные переменные

(3.3)

А (у)> 0

L2 (у )> 0

Lm (у )> 0

(3.4)

где р - вектор параметров математической модели, Я, I = 1,..,к, Ь, I = 1,..,т - операторы связи.

Значения независимых варьируемых переменных, которым соответствует минимум целевой функции Q , будем называть оптимальным, а само значение Q также оптимальным.

При решении задач оптимального проектирования и оптимизации биотехнологического процесса будем использовать в качестве целевой функции Q приведенные затраты. Использование такой целевой функции приводит к снижению себестоимости продукции, тем самым обеспечивая ее конкурентную способность на рынке, повышает экономию природных, энергетических и иных ресурсов, снижает затраты на монтаж и эксплуатацию оборудования. При решении задач оптимизации будем стремиться к минимизации данной целевой функции.

Вектором возмущений к в нашем случае является концентрация органических веществ в отходе производства этанола и его объемный расход.

Вектор независимых варьируемых переменных и при решении задачи оптимального проектирования представляет собой совокупность конструктивных (геометрические размеры аппаратуры, используемые материалы, варианты размещения и т. д.), технологических (условия проведения процессов, варианты управления и т. д.) и управленческих (используемое сырье, материалы, организационные решения) параметров.

Уравнения связи вида у = ^(, и, р) будут представлены в нашем случае математическими моделями процессов в основных технологических единицах: биохимическом реакторе, термофлотаторе, грануляторе.

Ограничения (3) определяют допустимую область изменения независимых варьируемых переменных и,

что при решении наших задач означает выполнение условий их физической реализуемости, нахождение параметров процессов в диапазонах, необходимых для обеспечения их работоспособности и т. д. Отметим, что в общем случае такие ограничения, как правило, зависят и от вектора возмущений ж

Ограничения (3.4) задают диапазоны изменения выходных показателей процессов: количества вырабатываемого продукта, его качественных характеристик и т. д.

Задача (3.1) - (3.4) представляет собой задачу нелинейного программирования с ограничениями типа равенств и неравенств значительной размерности. Для решения таких задач разработаны специальные численные методы [3, 4].

Математические Модуль

модели объектов идентификации

процесса У1— параметров

биореакгора, математических

термофлотатора, моделей ч.

И

->

База данных:

параметры

математической

модели

Алгоритмы методов

нелинейного

программирования

для задач с ограничениями типа неравенств и равенств

Ваза данных:

экспериментальные данные процесса

Пилотный процесс

Модуль ограничений на показатели качества и экономические показатели

И

Ж

Решение задач экономической оптимизации

<=

-г\ Модуль решения задач экономической оптимизации

С

База данных:

экономическая

информация

Экономическая ситуация в стране,

цены на сырье, энергетические и трудовые ресурсы

Рис. 3.4. Структура информационной системы

£

:>

Г еометрические характеристики биореактора

И.

Скорость подачи газовой фазы на аэрацию

X/

Г

Модуль массопередачи

>1

Выход модели

Формирование значений концентраций субстрата и биомассы

Концентрация

кислорода

Модуль кинетики

Начальные значения концентраций биомассы и субстрата

Температура и pH в секции

Рис. 3.5. Информационная модель процессов в биореакторе. Взаимодействие модулей математической модели

Структура информационной системы. Поскольку вить с помощью современных информационных технопоиск оптимальных решений предполагается осущест- логий - методов математического моделирования, не-

линейного программирования, с использованием современных средств разработки систем управления базами данных, можно говорить о создании и использовании соответствующей информационной системы.

Основой всей информационной системы является хранилище информации, включающее три базы данных: с экспериментальными данными, полученными с пилотного процесса, параметрами математических моделей, экономической информацией.

Главными задачами, решаемыми информационной системой, являются: параметрическая идентификация математических моделей, которая осуществляется при использовании методом нелинейного программирования и экспериментальных данных, полученных с пилотного процесса; экономическая оптимизация, которая осуществляется при использовании адекватных моделей, ограничений и данных по экономической информации.

Математическая модель биореактора [1, 2]. Биореактор имеет секционированный корпус. Каждая секция представляет собой реакционную емкость, перемешивание и аэрация которой осуществляется барбо-тажем. Подробно конструкция секций приведена в работах [1, 2].

При разработке математической модели были сделаны следующие основные допущения:

- каждая секция представляет собой объект с промежуточным уровнем перемешивания; данный уровень зависит от скорости подачи газовой фазы на аэрацию;

- факторами, лимитирующими скорость роста микроорганизмов, являются концентрации субстрата и растворенного кислорода;

- рассматривается изотермический процесс;

- кинетика процесса выражается уравнением Моно.

Информационная модель взаимосвязи основных

переменных процесса показана на рис. 3.5. С этой точки зрения математическая модель биореактора содержит три основных модуля: кинетики, гидродинамики и мас-сопередачи. Математическое описание трех модулей согласно основным предположениям представлено ниже.

Модуль кинетики имеет следующий вид:

ЖХг (г) аг

аБг (г) аг

= Д т (Т, PH )

Сг

Б, (/) + К5 Сг + Кс

ахг (?) у' аг

• X (г) (3.5)

(3.6)

с начальными условиями: X (0) = РкХ Н

РЯ + Р0

РЯ + Р0

(I = 1),

X (0) = Хг-1

З (0) = Б,-

(г * 1),

(3.7)

где цт, Кх, У - кинетические параметры, являющиеся функциями температуры и рН в жидкой фазе:

Дт (Т, PH) = = А1 ехр

( - ( Т V ^ 1------------

V Т1У

ехр{-в(рн - рн0рг )2)( )

у = У0 + к -т - т ),

к5 = А2 ехр| -

А

ЯТ

Модуль гидродинамики имеет вид:

Рг (г) = /(Р V , Рг (©, в, ))

(3.9)

(3.10)

(3.11)

Рг -,Щ Ь(|] ©К-1ехр(-К^^/(К- 1)! (3.12)

х, = | хг. (г) • Р(г)аг,

0

? шах

Б, = | Б (г) • Р(г )аг.

(3.13)

(3.14)

Уравнения массопередачи имеют следующий вид:

С- =

-12 + (42 - 4^1^3)/

2^1

4 2 = х,

( 1 т о ^

ОД Б г а +——

Бг + КБ

(3.15)

(3.16)

+ Кс | Ку + У^|-КуС *р , (3.17)

43 = Кс -Х,а - С*р Ку ),

(3.18)

к = 18КхО, (Р, + Р а§Н а )^[(Р, + Р а,Н а )^ ~ Р,^] , (3.19)

у ^ У1 ’

если 0,05 < Щ < 0,11 м/с.

6К1Ов (Р, +Ра,На) 1П

| аь2ф(аь )а (аь ) , (3.20)

—----------------У 2

если Щ > 0,11 м/с.

Объяснение параметров математической модели приведено в табл. 3.4, а значения параметров приведены в табл. 3.5.

шах

Р

к

у

Таблица 3.4

Параметр Описание

X, Б, С концентрации биомассы, субстрата и растворенного кислорода

Цт, Кб, кинетические параметры

Кс, У, а, Ь

Г время процесса

Р потоки: входной и рецикла

Хн , X концентрации биомассы: в потоке рецикла и среднее значение

1^0 с Со концентрации субстрата: во входном потоке и среднее значение

А предэкспоненциальный множитель

Е энергия активации

Я универсальная газовая постоянная

Т температура

В, У0, к, константы

Т1

р() функция плотности распределения времени пребывания времени реакционной смеси в реакторе

V объем секции

р поток реакционной смеси через секцию реактора

© нормированное время пребывания реакционной смеси в секции реактора

К, С, скорость и поток газовой фазы внутри реактора

Гтах максимальное время пребывания реакционной смеси в реакторе

к, в коэффициенты распределения Эрланга

41, ё, ё вспомогательные коэффициенты

К V, К объемный коэффициент массопередачи и коэффициент массопередачи

С’ концентрация насыщения для кислорода

р корректирующий коэффициент, который учитывает снижение С в реальной жидкости по сравнению с чистой водой

Р0 нормальное атмосферное давление

Ра плотность аэрированной жидкой фазы внутри реактора

н ъ высота и объем столба жидкости аэрируемой фазы внутри реактора

ускорение свободного падения

йъ диаметр газовых пузырей

№ь скорость всплывания газовых пузырей

ф (- ) функция плотности распределения пузырьков по диаметрам

Yl, У2 корректирующие коэффициенты

Индексы:

г соответствует номеру секции г

Б соответствует концентрации субстрата

С соответствует концентрации кислорода

0 соответствует начальным значениям

Я соответствует потоку рецикла

н соответствует концентрации биомассы в потоке рецикла

Система уравнений (3.5) - (3.20) совместно с дополнительными уравнениями для расчета параметров

математических моделей является замкнутой и позволяет определить концентрации биомассы и субстрата в каждой секции биореактора.

Алгоритм расчета уравнений математической модели представлен на рис. 3.5.

Алгоритм является итерационным. Выходными параметрами являются концентрации субстрата и биомассы в конце процесса. Для решения дифференциальных уравнений использован метод Рунге - Кутта четвертого порядка. Данная модель реализована в среде программирования Вог1аш! Бе1рЫ.

Проверку модуля кинетики осуществляли путем сравнения экспериментальных концентраций биомассы и субстрата (Xэксп и Бэксп), полученных в одной из рабочих секций аппарата в периодическом режиме с концентрациями X и Б, полученными интегрированием уравнений кинетики. На рис. 3.7 показан график зависимости концентрации биомассы от температуры при одинаковых начальных условиях. Точками показаны экспериментальные данные. Средняя относительная погрешность 2,1 %.

На рис. 3.8 показан график зависимости концентрации субстрата от температуры при одинаковых начальных условиях, аналогично графику роста биомассы. Точками также показаны экспериментальные данные. Относительная погрешность при расчете концентрации субстрата не превышает 9 %.

Таблица 3.5

Значения параметров математической модели

Параметр Численное значение Размерность

Р> 10 3м

Ря 1,48 '¡т 3м

Б0 40 кг-м-3

БК 0,43 кг-м-3

Хн 42,2 кг-м-3

А1 0,385 ч-1

Е1 6705,96 кДж-кмоль-1-К-1

Я 8,31 кДж-кмоль-1-К-1

Т1 303,15 К

В 0,356 -

рНорГ 8,9 -

к 0,001 К-1

Уо 0,41 -

А2 0,832 кг-м-3

Е2 8190 кДж -кмоль-1

а 7,07-10-3 кг-кг-1-ч-1

Ь 142,8-10-6 кг - ч-1

Кс 0,032-10-3 кг - м-3

С’ 7,486-10-3 -3м г к

в 0,96 -

К 7,22-10-3 м-с

У1 1,01 -

У2 1,09 -

9,81 м-с-2

X, кг ■ м

г,ч

Рис. 3.7. Проверка адекватности математической модели биореактора (модуль кинетика). Рост биомассы при кислотности pH = 8,7, начальных X0 = 4, Б0 = 12,5 кгм-3 и различной температуре: 1 45 °С

15; 2 - 20; 3 - 25; 4 - 30; 5 - 35; 6 - 40; 7

Рис. 3.8. Проверка адекватности математической модели биореактора (модуль кинетика). Утилизация субстрата при кислотности pH = 8,7, начальных X0 = 4, Б0 = 12,5 кгм-3 и

различной температуре: 1 - 15; 2 - 20; 3 - 25; 4 - 30; 5 - 35; 6 - 40; 7 - 45 °С

В модуле «гидродинамика» исследовали влияние скорости подачи газовой фазы на плотность распределения по времени пребывания (ПРВП) жидкой фазы (рис. 3.9). Из рисунка видно, что при низких скоростях подачи газовой фазы график ПРВП приближается к рассчитанному по модели идеального вытеснения (рис. 3.9, а); с повышением скорости подачи газовой фазы график ПРВП приближается к рассчитанному по модели идеального смешения (рис. 3.9, ф.

В модуле «массопередача» исследовали зависимость объемного коэффициента массопередачи Къ от расхода газовой фазы О, (см. рис. 3.10).

Все модули математической модели были объединены в одну программу, алгоритм работы которой показан на рис. 3.6.

С помощью этой модели проведены вычислительные эксперименты, показывающие поведение основных технологических характеристик в зависимости от удельного разбавления (рис. 3.11-3.12). Под удельным

р ,

разбавлением будем понимать: Б = — (ч ‘).

Величину Q = Б(х-х0) называют удельной продуктивностью. На рис. 3.12 показан вычислительный

Рис. 3.9. Распределение по времени пребывания жидкой фазы в биореакторе при различных Ж, : а) - К = 0,01 м/с; Ь) Ж, = 0,04 м/с; с) - Ж, = 0,07 м/с; а) - Ж, = 0,1 м/с

Рис. 3.10. Зависимость объемного коэффициента массопере-дачи Къ от потока газовой фазы О,

эксперимент, показывающий зависимость основных параметров процесса в биореакторе от В.

Видно, что максимальная удельная продуктивность возрастает при увеличении начальной концентрации Б0 . Видно, что при начальной концентрации

Б0 = 40 кг/м3 и при значении В и 0,02 ч-1 удельная

^0

продуктивность достигает своего

Q = 0,15 кг/(м3 - ч) . Итак, из этого вычислительного эксперимента следует, что удельная продуктивность имеет максимум, т. е. есть такое состояние системы, при котором выход продукта максимален.

С.кг ! лг

-1

Рис. 3.11. Вычислительный эксперимент. Зависимость концентрации растворенного кислорода (С) от удельного разбавления (В) при различных значениях объемного коэффициента

максимума

массопередачи Къ . Начальные значения X0 = 2 кг/м3, Б0 = 40 кг/м3 . Значение Къ : 1 - 50; 2 - 100; 3 - 200; 4 - 500;

5 - 1000 ч-1

Рис. 3.12. Вычислительный эксперимент. Зависимость концентраций X, Б, С и удельной продуктивности Q от В при различных значениях Б0 . Начальные значения X0 = 2 кг/м3, Къ = 100 ч-1. Значение концентрации Б0 : 1 - 40; 2 - 30; 3 - 20; 4 - 10 кг/м3

Рис. 3.13. Представление термофлотатора в виде ячеечной модели

5. Транспорт твердой фазы с пузырьками из г + 1 в г-ю (г = 1, 2, ..., А-1) примем пропорциональным количеству пузырьков, утративших способность к флотации в г+1 ячейке. Пузырьки считаются утратившими способность к флотации при выходе их диаметров из диапазона флотируемости.

Информационная модель взаимосвязи основных процессов показана на рис. 3.14. Основными модулями, позволяющими проводить расчет процессов в термофлотаторе, являются: флотируемость твердой фазы, абсорбция-десорбция смеси газов, кинетика роста газового пузырька, транспорт твердой фазы, гидродинамическая обстановка в термофлотаторе.

Флотация частиц органического материала возможна лишь пузырьками газа, имеющими размеры от гты до гтах. Уравнения (3.21), (3.22) представляют модуль флотируемости.

Математическая модель термофлотатора [5, 6].

При разработке математической модели термофлотатора была принята следующая система допущений.

1. Весь объем термофлотатора может быть представлен в виде А ячеек идеального перемешивания (рис. 3.13).

2. Основными компонентами газовой смеси являются углекислый газ (С02), кислород (02) и азот (Ы2).

3. Образование газовых пузырьков, участвующих во флотации, происходит только в нижней (первой) ячейке. Это допущение обосновано тем фактом, что центрами образования пузырьков являются только частицы вновь введенной суспензии, присутствующие лишь в нижней ячейке.

4. Транспорт твердой фазы с пузырьками из г-й в г+1 ячейку (г = 1, 2, ..., А-1) примем пропорциональным эффективному количеству пузырьков и концентрации суспензии в г-й ячейке при значениях х <= хкр, и пропорциональным только эффективному количеству пузырьков при х > хкр.

1 = У1

^3~ 2^ 3ст Г Р

2Р1,

0,25

Г тах

3аУ 2

2 Гр рр 8

(3.21)

(3.22)

Уравнения, полученн^1е на основе закона Генри -

(3.23) - (3.33), используются для определения растворимости газовой смеси в жидкости:

Р = т - у ,

(3.23)

У, =— , (3.24)

т1

где индексы соответствуют: 1 - С02, 2 - 02, 3 - Ы2.

Г

Pj = r • kj

P_

fj

(3.25)

Уравнения (3.34) - (3.37) вспомогательные.

Vi = V = ... VN = Va/N (3.34) Ah = Ha/N (3.35)

, k =-

2 f

j=\J i

Mj = a0 j + a1T + a2jT2 + a3jT3.

(3.26)

(3.27)

hi dn = Ah{i-1),

i = 1.....N

Уравнения (3.38) - (3.39) позволяют вычислить изменение радиуса газового пузыря по мере его транспорта от нижних слоев к верхним слоям термофлотатора.

7 = yj

j 3

1 -2

yj

j=1

7 ■ = f -У-

mi J i -

f0+2 fj • y

i=1

1+22 Yj

1=1

Mt =2 Ymi-1000

j=1

2 Imi

M =

j=1

2

j=1

(3.28)

(3.29)

(3.30)

(3.31)

(3.32)

Количество газовой смеси можно определить из соотношения:

С (T) =

Mt • 22,4 • (T + 273,15) • 100 293,15 • P • M

(3.33)

dVb

dt

Vh

P0 +P/g(Ha - h0)

P0 +p Я (Ha - h0 - w(t -10))

(3.38)

Vb(t0) = V0; ^ =|3 %] 3

(3.39)

Если суспензия нагрета от Т¡п до Т, то произойдет выделение газа в виде пузырьков. Общий объем газа, произведенного в единицу времени:

V = РЖАС) = Р,п^[С(Т,п) - С(Т/ )], (3.40)

где у(-) - функция, обеспечивающая положительность:

Ч, 4> 0

(3.41)

Пусть известен закон распределения (р(гь ) образовавшихся пузырьков по размерам. Тогда общее количество пузырьков, образовавшихся в единицу времени, можно определить:

V = Fn V[C(Tj - С(Tf)] Y3 . (3.42)

nt ~ M _ M

4 f 3 4 f 3

3nJ rb P1(rb )drb 3nJ rb P1(rb )drb

1

x

m

sr

Msr =

Взаимодействие модулей в модели термофлотации

Рис. 3.14. Информационная модель процессов термофлотации. Взаимодействие модулей математической модели

973

Эффективное количество пузырьков вычисляем по формуле:

ґіп У[С (Тіп) - С (Г/)] Уз | Ф, (ГЬ )<ігь г т

, ,=¡,..,N-1 (3.43)

4 п| гЬф,(гь № |ф,(Гь )йгь

Определенное число пузырьков в процессе подъема вырастают настолько, что теряют способность удерживать твердую частицу, т. е. гъ < гт1П или гъ > гтах. Рассчитать количество пузырьков, утративших флотационную способность в г-й ячейке, можно по формуле:

- Е,п У[С (Т,п) - С (Т/)] Уз

П^іпі вд ю

4

3

- гЬ Ф, (гь )агь | Ф, (гь )&ь

0 0

ю

I Ф, (гь Угь + |ф, (гь Угь

, i=2,..,N (3.44)

г тах

Кинетическая составляющая переноса твердой фазы из г-й в г+1-ю ячейку может быть найдена как:

0,,,+1

7 *

к1У,Пе/,, Х, ^ Х

*

к2У,пе//,Х,, 0 ^ Х, < Х

где к1 =к2Х

6 +1,, - к3У+1Пйп , +1 , ,=2,..,М

, ,=1,..,Х-1 (3.45)

(3.46)

(3.47)

Уравнения материального баланса согласно рис. 3.13 выглядят следующим образом:

Р12 = Р23 = ■■■ = РЫ-1А = Рыр = Ргп-Рйп (3.48)

Р,пХт - (Р12 + Рйп )Х1 - 012 + 021 - 0 Р12 Х1 - Р23 Х2 + 012 - 023 - 021 + 032 - 0

Р,-ЦХ,-1 - РЦ+1Х, +

+ 6,-1,, - б,,,+1 - б,,,-1 + Й+У - 0 (3.49)

^-2,N-1ХN-2 - ^-l,NХN-1 +

+ QN-2,N-1 - QN-l,N - QN-l,N-2 + QN,N-1 - 0

- FupХN + 6^1^ - QN,N-1 - 0

Система уравнений (3.21) - (3.49) является замкнутой и позволяет найти концентрацию биомассы в каждой ячейке термофлотатора. Перечень параметров и их числовые значения показаны в табл. 3.6, 3.7.

Таблица 3.6 Параметры математической модели

Параметр Описание Единица измерения

а0, а\, а.2, а3 Коэффициенты аппроксимации Па, Па/°С, Па/ °С2, Па/ °С3

С Количество газовой смеси м3/м3

/ Молекулярная масса компонента 1 -

Массовый расход суспензии м3/ч

я Ускорение свободного падения м/с2

кь к2 Коэффициенты пропорциональности кг/(м3 -ч), 1/ч

к (Р - Р*) Движущая сила массопередачи м/с

т Константа фазового равновесия компонента ] Па

N Общее количество пузырьков -

N4 Эффективное количество пузырьков -

Ndn Количество пузырьков, утратившие способность к флотации -

N Количество ячеек -

м Высота одной ячейки м

На Высота термофлотатора м

Р Давление компонента над раствором Па

Р0 Нормальное атмосферное давление Па

6 Кинетическая составляющая переноса твердой фазы между ячейками кг/ч

гР Радиус частицы м

гтіп Минимальный радиус пузырька, участвующий во флотации м

гтах Максимальный радиус пузырька, участвующий во флотации м

г Радиус пузырька м

Т Температура жидкой фазы °С

1 Время процесса с

У Объем ячейки м3

Уа Объем термофлотатора м3

Уь Объем пузырька м3

V Начальный объем пузырька м3

Х Концентрация биомассы кг/м3

У Мольная доля компонента в растворе моль/моль

У Относительная мольная доля компонент моль/моль

Р Р Плотность материальной частицы кг/м3

Рі Плотность жидкости кг/м3

У^У 2 Поправочные коэффициенты, учитывающие отклонение от сферической формы

ст Коэффициент поверхностного натяжения Н/м

П.*! -

х

0

Таблица 3.7

Значения параметров математической модели

Ргп 3,09 м3/ч

РиР 1,5 м3/ч

Уа 4,8 м3

Хіп 42,2 кг/м3

Т- 1 іп 20-28 °С

т* 80-95 °С

Х 1,1 кг/м3

а 40,9710-3 Н/м

р р 1090 кг/м3

рі 999,52 кг/м3

У1 1 -

У 2 0,24 -

¿1 0,2210-11 кг/(м3 -ч)

¿2 0,210-11 1/ч

Алгоритм расчета уравнений математической модели приведен на рис. 3.15.

Адекватность модуля абсорбции проверяли на основе экспериментальных данных по растворимости чистых газов и их смеси из работы [7]. Точки на графиках соответствуют экспериментальным данным, а линии - расчет по модели. Средняя абсолютная погрешность составила для С02 - 6 %, для 02 - 6 %, для Ы2 - 3,5 %.

Для проверки адекватности всей математической модели использовали коэффициент разделения а = Хир / Хіп . Данный коэффициент показывает отношение концентрации на выходе термофлотатора (Хир) к входной концентрации (Хіп) суспензии. На основе экспериментальных данных [2] и данных, полученных по модели, проведен качественный анализ. Результаты показаны на рис. 3.17.

В ходе вычислительных экспериментов рассчитывали плотность распределения газовых пузырьков по радиусам в каждой ячейке термофлотатора. Результаты представлены на рис. 3.18.

Рис. 3.15. Алгоритм расчета уравнений математической модели

В)

Рис. 3.16. Проверка адекватности процесса абсорбции газовой смеси: А) для С02; Б) для 02; В) для N

Рис. 3.17. Зависимость коэффициента а от входной концентрации хп при различных температурах термофлотации А) 75-79 °С; Б) 80-84 °С; В) 85-87 °С

Рис. 3.18. Плотность распределения пузырьков по радиусам, в зависимости от номера ячейки. Цифрами обозначены номера ячеек

Как видно из рис. 3.18, газовый пузырек среднего радиуса 0,1 мм, образовавшийся в первой ячейке, при переходе в верхнюю часть аппарата достигает размера

6,5 мм. Максимальное значение функции плотности распределения уменьшается при переходе в следующую ячейку, поскольку увеличивается дисперсия среднего.

Для частиц с радиусом гр = 10~3 м и р/ = 999,52 кг/м3, рр =1090 кг/м3, ст =40,97-10~3 н/м получаем условия флотируемости ттЫ =1,58 мм и гтах=5,75 мм.

Общее количество образовавшихся пузырьков в первой ячейке составляет 184 510 728. Как видно из рис. 3.18, пузырьки достигают минимального радиуса флотируемости только в четвертой ячейке, а утрачивают способность к флотации, т. е. выходят из условий флотируемости, в восьмой ячейке.

Изменение числа эффективных пузырьков и пузырьков, утративших способность к флотации, в зависимости от номера ячейки показано на рис. 3.19.

1 23456789 10

Номер ячейки

Рис. 3.19. Изменение числа эффективных пузырьков (—•-) и числа пузырьков, потерявших способность к флотации

На рис. 3.20 показано, как меняется концентрация суспензии при различных температурах флотации Т Как видно из графика, при увеличении температуры флотации концентрация увеличивается.

На рис. 3.21 показано влияние потока верха - Еир на изменение концентрации суспензии. Можно сделать вывод, что при увеличении потока ^ разделение суспензии происходит хуже и концентрация на выходе аппарата уменьшается.

На рис. 3.22 показано влияние температуры суспензии на входе в термофлотатор на значение концентраций в ячейках. Из графика видно, что если суспензия нагрета, то концентрации биомассы уменьшаются, соответственно, при больших температурах суспензии на входе в термофлотатор разделение суспензии происходит хуже, чем при малых.

На рис. 3.20-3.22 показано, как меняется концентрация суспензии при различных входных параметрах в зависимости от высоты термофлотатора или номера ячейки. В ячейках 1, 2, 3 пузырьки, образующиеся в процессе термофлотации, имеют малые размеры; они не участвуют в подъеме твердой фазы (рис. 3.20). В этих ячейках транспорт частиц, а следовательно, и концентрирование, происходит за счет конвективных потоков. В ячейках 4-8 начинает проявляться кинетика процесса. Это означает, что транспорт частиц осуществляется вместе с пузырьками. В последних ячейках значительная доля пузырьков утрачивают свою способность к флотации.

Из рис. 3.20, 3.21 и 3.22 можно сделать вывод, что реальный аппарат представляет собой 2-ячеечную систему. Поэтому созданные ранее 2-ячеечные математические модели могут быть в достаточной степени адекватны реальному процессу [8, 9].

Рис. 3.20. Влияние температуры флотации 'а на изменение концентраций. Линиями указаны: - 7}? = 65 °С, - 7}? =

= 80 °С. — - 7> = 95 °С '

Рис. 3.21. Влияние потока верха Fup на изменение концентра-

ций. Линиями показаны:

Fup = 1,2 м3/ч.

F

1 ш

1,5 м~/ч, ■

- Fv = 1,8 м7ч

- процессы дробления и коалесценции гранул отсутствуют;

- твердая (гранулы, ретур), жидкая (суспензия) и газовая фазы перемешиваются в объеме достаточно интенсивно, это создает эффект псевдоожижения и дает возможность применять даже к твердой фазе закономерности, характерные для жидкости;

- гранула представляет собой двухслойную конструкцию (рис. 3.23); внутренний слой - это частица ретура; внешний слой - суспензия, вновь попавшая на частицу. Слои имеют круглую форму и представляют собой объекты с сосредоточенными параметрами. После выгрузки такой частицы происходит усреднение в ней температуры и влажности.

Математическое описание кинетики процесса представлено для одной гранулы.

Поскольку вся суспензия распределяется по поверхности гранул равномерно, можно для одной гранулы записать объемный материальный баланс:

dV

dt

- = Fn

Sg

I

Sg

- Km (P - Pg) • Sg

(3.50)

где V - объем гранулы, Бя - площадь поверхности гранулы, Кт - коэффициент массопередачи, Еа - массовый расход суспензии.

Площадь одной гранулы равна: Б=4-ж-г2, а сумма всех площадей:

max

I Sg = X? •4п jrg2 ^(rg)drg

(3.51)

Высота термофлотатора, м

3 4 5 В 7

Номер ячейки

Рис. 3.22. Влияние входной температуры Tin на изменение концентраций. Линиями показаны:—"— - Tin = 20 °С, —-

Tin = 35 °С, - Tin = 50 °С

Математическая модель гранулятора. При составлении математического описания процесса были приняты следующие допущения:

- вынос сухого вещества с газовым потоком отсутствует;

- идеальное смешение по поступающей суспензии и гранулам и идеальное вытеснение по газовой фазе;

- вся суспензия поступает на гранулы, находящиеся в аппарате; этот процесс происходит мгновенно; суспензия распределяется по поверхности гранул равномерно;

- испарение влаги происходит только с поверхности гранул;

где гё - радиус полученной гранулы, ф(гг) - плотность распределения частиц по радиусам, N - количество частиц в аппарате.

Делая замену, получаем:

dV _ Fg • 4nr2

dt

max

Ng • 4n jrg 2 •ф(г? )drg

(3.52)

- Кт (Р - Р) • 4л-г 2

Перейдем от объема к радиусу. Объем одной грану-

4 3

лы равен: V = — п- г . Отсюда первая производная от

объема по времени: dV = 4п- г2dг . После преобразований получаем:

dr

dt

Fg

- Km (P - P);

(3.53)

Xg • 4П I rg

•ф(^ )dr

(Р - Р) - движущая сила процесса сушки, представляющая собой разницу парциальных давлений водяного пара внутри гранулы и в ядре потока.

r

к

r.

r

Рис. 3.23. Конструкция гранулы: г1 и Т - соответственно радиус и температура частицы ретура, г2 и Т2 - радиус и температура полученной частицы

Анализируя (53), делаем вывод о линейном росте гранулы. В результате уравнение примет вид:

'шах

М8 • 4п |г82 •ф(г? )йг8

- Кт (Р - Р)

(3.54)

Из уравнения видно, что рост гранулы идет лишь за счет увеличения внешнего слоя.

В связи с отсутствием взаимодействия внутреннего слоя с суспензией теплообмен происходит лишь с внешним слоем. В результате тепловой баланс для внутреннего слоя гранулы запишется следующим образом:

ЙТ1 = (Т2 - Т1) • КТ1

&

Г •Р: • С

(3.55)

где г1, р\, с1 - радиус, плотность и концентрация ретура соответственно; К' - коэффициент теплопередачи.

В отличие от внутреннего слоя внешний взаимодействует еще и с суспензией. Поэтому тепловой баланс для данного слоя гранулы примет вид:

4 I Л3 &Т2

— п(г - к) • р2 • с2—- =

3 8 2 й?

■ = -4п • г?(Т2 - Г1) • КГі + ^ + 4п г2 (Т. -Т2) • КТ2 - б

(3.56)

где б =

^ если Т2 < Ткии

-•Р2 •Ц , Т2 >

Таблица 3.8

Параметры математической модели гранулятора

Обо- значе- ние пара- метра Название параметра Значение параметра Размерность параметра

Ео Массовый расход суспензии 1,5 м3/ч

Хо Влагосодержание суспензии 82,5 кг/м3

РЕ8 Плотность суспензии 1030 кг/м3

Тр„ Температура суспензии 70 °С

N8 Количество гранул в аппарате 3-106 -

Тв Температура внутри слоя 105 °С

Т1 Температура подаваемого ретура (н.у.) 20 °С

Т2 Температура внешнего слоя гранулы (н.у.) 70 °С

Р1 Плотность ретура 1250 кг/м3

Р2 Плотность внешнего слоя гранулы 1030 кг/м3

С1 Теплоемкость ретура 1,2 • 103 Дж/(кг-К)

С2 Теплоемкость внешнего слоя гранулы 4,2-103 Дж/(кг-К)

К-эг Среднее значение радиуса ретура (н.у.) 3-10-3 м

а (н.у.) 0,3-10-3 м

КтР Коэффициент массопереда-чи 0,00037 м/ч

Кт1 Коэффициент теплопередачи 5105 Дж/(К-ч-м2)

Кт2 Коэффициент теплопередачи 2,5-106 Дж/(К-ч-м2)

Тэг Средняя температура в грануле 98 °С

Ц Удельная теплота парообразования 2258-103 Дж/кг

Рис. 3.24. Блок-схема итерационного процесса определения плотности вероятности распределения частиц продукта по радиусам ф(гг)

+

Г

Рис. 3.25. Плотности распределений частиц на выходе гранулятора по радиусам в зависимости от времени пребывания х; где:----------

начальное распределение; - распределение частиц на выходе аппарата при х = 6 мин.; - распределение частиц на выходе аппарата при х = 15 мин.; - распределение частиц на выходе аппарата при х = 30 мин.; “- распределение частиц на выходе аппарата при х = 60 мин.; - распределение частиц на выходе аппарата при х = 90 мин.

4 г ч3

Разделив обе части уравнения на — л(гя - г1) -р 2 • с2 и перейдя от объема к радиусу, получим:

Q =

°, если Т2 < Ткип Л 2 dг

4п-г1 -Р2 ПРи Т 2 > Тк

dt

dT2 3- г12(Т2 - Т1) • Кт

—2 =-------------------------------------3- +

^ (гg (t) - г1) -Р2 -С2

Рат2^)-'Рв +

г

'шах

' з" П(гя (t) - г1)3 |г2 - ф(^ ^

г

Ш1П

3-г2гШв -Т2)-Кт1 <2

(3.57)

(г2 (t) - г) -р2 С 4 / \3

1 Р2 2 3 л(гя - г1) -Р2 -С2

где

р2, с2, ТРа - соответственно плотность, концентрация

и температура суспензии; Тв - температура внутри слоя; Тшп - температура кипения; ^ - удельная теплота dг

парообразования;--------правая часть уравнения (3.53).

dt

Первая дробь из уравнения (3.57) соответствует оттоку тепла из внешнего слоя во внутренний. Вторая -определяет тепло, пришедшее в гранулу с потоком суспензии. Третья - характеризует теплообмен с внешней средой. Параметр 2 соответствует фазовому переходу - образованию пара из жидкости. Он равен 0, если температура внешнего слоя не превышает температуру кипения. В противном случае, появляется компонента, характеризующая энергию, затрачиваемую на испарение.

a(w)t

0,08

0,06

0,04

0,02

0

Cbw.

7,77 7,86 7,93 7,99 8,05 8,1 8,14 8,18 8,22

, %

Рис. 3.26. Плотность распределение частиц на выходе гранулятора по влагосодержанию гранул при т = 30 мин.

Т,,'с

Рис. 3.27. Плотность распределение частиц на выходе аппарата по температуре гранул при т = 30 мин.

Линейное уравнение (3.54) и систему дифференциальных уравнений (3.55 - 3.56) необходимо решать при следующих начальных условиях:

r (0) = r 71(0) = T10 = 20° C T2(0) = T20 = 70° C

(3.58)

Будем считать, что коэффициенты КТ1, КТ2 и Кт(Р - Р) мало изменяются в процессе и могут быть найдены в результате параметрической идентификации математической модели на основе экспериментальных данных.

Параметры математической модели гранулятора представлены в табл. 3.8.

Алгоритм расчета уравнений математической модели гранулятора представлен на рис. 3.24.

В ходе вычислительных экспериментов определялись плотности распределений частиц на выходе гранулятора по радиусам в зависимости от времени пребывания в грануляторе, по влагосодержанию гранул и по температуре гранул. Результаты представлены на рис. 3.25 - 3.27.

Таким образом, исследование математических моделей подтвердило их адекватность реальным объектам, а проведенные вычислительные эксперименты выявили наиболее важные зависимости между параметрами процессов.

Расчет экономических показателей производится по специальным уравнениям, позволяющим осуществлять подсчет капитальных, эксплуатационных и приведенных затрат для всех технологических единиц и всего процесса.

Таким образом, в данной статье описаны основные компоненты информационной системы, предназначенной для экономической оптимизации биотехнологического процесса на основе методов математического моделирования.

ЛИТЕРАТУРА К § 3

1. Арзамасцев А.А. // Дис. ... канд. техн. наук. Тамбов: Тамб. ин-т хим. машиностроения, 1984. 298 с.

2. Арзамасцев А.А. // Дис. ... д-ра техн. наук. Тамбов: Тамб. гос. техн. ун-т, 1998. 389 с.

3. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985. 509 с.

4. Цирлин А.М. Оптимальное управление технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1986. 400 с.

5. Арзамасцев А.А., Дудаков В.П. Компьютерное моделирование и исследование процесса термофлотационного разделения микробных суспензий // Вестн. Тамб. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. Тамбов, 1996. Т. 2. Вып. 2. С. 94-96.

6. Арзамасцев А.А., Дудаков В.П., Рудобашта С.П. Модель роста газовых пузырьков в процессе флотации // Журнал прикладной химии. 2000. Т. 73. Вып. 1. С. 100-102.

7. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. 654 с.

8. Арзамасцев А.А. Термофлотационное разделение микробных

суспензий // Ферментная и спиртовая пром-сть. 1984. № 5. С. 37-

41.

9. Arzamastsev A. The mathematical model of the bacterial biomass ter-

moflotation process // Preprints of the 6th International Conference on Computer Application in Biotechnology (IFAC), Garmisch-

PartenKirchen, Germany, May 14-17. 1995. Р. 278-281.

Поступила в редакцию 26 марта 2009 г.

Arzamastsev A.A. Mathematical models of biological and biotechnological objects. Mathematical models of various biological and biotechnological objects developed by the author for the first time are cited. The given models have been used for reception of the new information in scientific and industrial spheres.

Key words: mathematical model; biological object; parametrical identification; calculative experiment.