Математическое моделирование кинетики явлений переноса при биосинтезе биохимических систем в реакторах периодического действия с перемешиванием

• Автор: Солонинов, Денис Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Ставрополь
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Оглавление

Глава 1. Современное состояние проблемы математического

моделирования биологических объектов

1. Ъдходы к синтезу математических моделей биохимических

систем

1.2 Статистические модели .

1.3 Математические модели с сосредоточенными параметрами

1.4 Математические модели с распределнными параметрами

1.5 Массообменный процесс осахаривания крахмалсодержащего сырья как предметная область применения кинетических представлений.

1.6 Выводы. Цель и задачи исследования

Глава 2. Синтез математической модели биосинтеза в биореакторах периодического действия с перемешиванием
2.1 Основные физикохимические представления
2.2 Синтез уравнений модели .
2.3 Модификация уравнений модели для условий избы точности ферментов .
2.4 Модификация уравнений модели для условий для условий недостаточности ферментов .
2.5 Выводы
Глава 3. Анализ математической модели биосинтеза в биореакторах периодического действия с перемешиванием.
3.1 Оценка кинетических коэффициентов
3.2 Результаты вычислительного эксперимента
3.3 Методика определения основных кинетических коэффициентов
по ограниченному массиву экспериментальных данных.
3.4 Проверка адекватности математической модели
3.5 Выводы.
Глава 4. Обоснование метода оперативного контроля за процессом осахаривания в периодическом режиме с перемешиванием.
4.1 Описание модернизированной пилотной экспериментальной установки .
4.2 Исследование влияния технологических факторов на вязкость субстрата в процессе осахаривания
4.3 Схема мониторинга процесса осахаривания
4.4 Выводы.
Заключение.
Список использованных источников


Разработать методику определения кинетических параметров модели и их количественное определение с использованием имеющихся теоретических и экспериментальных данных. Разработать алгоритм численного интегрирования уравнений модели и прикладной программный комплекс, провести вычислительный эксперимент по определению динамики изменения основных характеристик биохимической системы в непроточном биореакторе с перемешиванием. Провести натурные эксперименты па автоматизированной пилотной установке для контроля степени осахаривания крахмалсодержащего сырья и установить адекватность предложенной модели. Реализовать практические возможности разработанной математической модели в научной и производственной деятельности. Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовалась методология математического моделирования, теория дифференциальных уравнений, численные методы, системный анализ, методы оптимизации. Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечиваются использованием фундаментальных законов явлений переноса, апробированных методик расчетов и обработки данных, а также согласованностью с экспериментальными данными. Найден способ сокращения числа кинетических параметров предложенной математической модели путем рассмотрения асимптотических режимов, соответствующих физическому смыслу задачи, а именно, в одном случае избытку ферментов в системе, в другом их недостатку. Это дало возможность наметить пути верификации кинетических параметров через конечные значения глюкозы и мальтозы в рассматриваемом в качестве примера процессе осахаривания крахмалсодержащего сырья. На основе сопоставления вычислительного и натурного экспериментов изучена динамика изменения крахмала, мальтозы, декстринов, белков и других компонентов фермент-субстрактного комплекса при осахаривании крахмал содержащего сырья, и уточнены кинетические коэффициенты модели. Разработана автоматизированная экспериментальная установка для проведения исследований зависимости между количеством потребляемой двигателем энергии и степенью осахаривания крахмалсодержащего сырья и предложен новый способ оперативного контроля за процессом осахаривания по изменению расходуемой мощности на перемешивание субстрата, позволяющий свести к минимуму использование трудоемких и длительных измерений химическими и биохимическими методами. Предложена схема мониторинга процесса осахаривания и принципы управления им с использованием разработанной математической модели. Практическая значимость работы. Полученные соотношения позволяют прогнозировать и контролировать динамику процесса биохимических превращений с использованием кинетики массопереноса при изотермических условиях в биореакторах периодического действия с перемешиванием на примере осахаривания крахмалсодержащего сырья. Разработанные на их основе рекомендации по рациональному ведению процесса позволяют снизить потери на производстве и увеличить выход конечной продукции. Практическая значимость работы. Полученные соотношения позволяют прогнозировать и контролировать динамику процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, обеспечить оптимизацию условий его проведения, разработать на основе модели систему оптимального управления процессом получения спирта в промышленных условиях. Апробации работы. Основные положения работы были доложены на III Международной научно-технической конференции «Инфокоммуниациониые технологии в науке, производстве и образовании» (Кисловодск, г. VIII Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи-Адлер, г. VII Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, г. Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения устойчивого экономического роста аграрного сектора экономики» (Ставрополь, г. Математическая модель биохимических превращений с использованием кинетики массопереноса при изотермических условиях в биореакторах периодического действия с перемешиванием на примере осахаривания крахмалсодержащего сырья.