Система «Автоферм—1» оснащена программным обеспечением, позволяющим рассчитывать оптимальные режимы дробных добавок питательных субстратов. Причем, оптимальные режимы определяются в трех классах функций: класс линейных функций; класс экспоненциальных функций; класс ступенчатых функций.
Полученные режимы оптимального управления биотехнологическими процессами микробиологического синтеза реализуются с помощью средств математического обеспечения текущего эксперимента.
Блок-схема этого обеспечения включает в себя девять основных модулей: «Подготовка», «Ввод», «Предварительная обработка», «Первичная обработка», «Управление», «Диалог», «Модель», «Документ», «Часы», которые связаны между собой с помощью программы «Диспетчер». Работа начинается с диалога, в. ходе которого заносятся первичные данные о состоянии математического обеспечения текущего эксперимента и объекта управления. В конце этого диалога все введенные параметры передаются в соответствующие модули, начальные значения уставок поступают в блок управления и включается таймер (модуль «Часы»).
Этот модуль выдает сигналы на опрос датчиков. Данные, поступающие в ЭВМ от датчиков через блок управления, проходят предварительную обработку (перекодировку, сглаживание и т. п.) и передаются в модуль «Первичная обработка», где вычисляются косвенные параметры процесса (например, удельная скорость, дыхательный коэффициент и т. д.), прямое измерение которых невозможно. Результаты передаются в модуль «Модель», где осуществляется управление по простейшим моделям, либо в систему математического обеспечения моделирования, где по ним производится уточнение постоянных коэффициентов модели и, следовательно, управляющих параметров. В соответствии с полученными данными параметры эксперимента корректируются путем изменения уставок в блоке управления.
Окончание эксперимента определяется по одному из трех условий: достижению необходимой плотности культуры; временному ограничению экспериментов; уменьшению скорости роста культуры до критической, что свидетельствует о переходе культуры в стационарную фазу. По окончании эксперимента на печать выдается его протокол. Предусмотрено вмешательство оператора в ход эксперимента с пульта ЭВМ. Оператор может в диалоговом режиме опрашивать датчики, изменять уставки в блоке управления, менять стратегию и т. п.
В математическом обеспечении текущего эксперимента предусмотрена иерархичность, вследствие которой основную роль в автоматическом режиме играет модуль «Модель», устанавливающий связь между параметрами, информация о которых поставляется модулями «Первичная обработка», «Предварительная обработка», «Ввод» и управляющими воздействиями. Наивысший исполнительный приоритет отведен модулю «Диалог», в работе с которым оператор может взять управление процессом на себя, заменив тем самым функции модуля «Модель».
Как показала практика, разработанное математическое обеспечение текущего эксперимента «Автоферм—1» позволяет эффективно осуществлять управление культивированием микроорганизмов в условиях лабораторных экспериментов.
Рассмотрим некоторые примеры применения автоматизированного рабочего места «Автоферм» в учебно-исследовательской практике.
Пример I. Организовать дробную добавку глюкозы в зависимости от значения рН в процессе культивирования Е. coli М—17.
Известно, что после периода лаг-фазы в процессе культивирования рН не должно превышать критического значения. Следовательно, когда рН больше значения критерия, необходимо добавить определенное количество глюкозы. Для организации подачи глюкозы следует написать программу пользователя на языке QUASIC в соответствии с определенными правилами, указанными в руководстве по применению автоматизированного рабочего места «Автоферм».
Алгоритм, по которому будет написана программа, выглядит следующим образом. После окончания периода лаг-фазы ЭВМ должна постоянно сравнивать рН с критерием. При значении рН, большем критерия, ЭВМ формирует команды блоку управления ферментацией для подачи необходимого количества глюкозы. После добавки глюкозы ЭВМ некоторое время не контролирует рН. Это время назовем периодом адаптации. Окончание периода лаг-фазы, критериальное значение рН, требуемое количество подаваемой глюкозы определяются экспериментатором в ходе опыта.
Обозначим переменные: V1 — общий объем поданной глюкозы; V — объем глюкозы, необходимой для подачи в течение определенного времени; FD1 — значения рН; TR1—счетчик секунд; TR2 — счетчик минут; SH = 0 — переменная, разрешающая контроль за подачей глюкозы; рН0 — критериальное значение рН; РТ — количество секунд, за которое подается определенный объем глюкозы; U — значения напряжения на двигателе перистальтического насоса, необходимое для подачи V мл глюкозы за РТ секунд; КА — время (в минутах) адаптации культуры после подачи V мл глюкозы.
В программном обеспечении автоматизированного рабочего места «Автоферм» массив F1 из 16-ти элементов принимает значения соответствующих каналов (еН, рН, температуры, рO2 и т. д.) с устройства управления ферментацией; массив F2 передает значения управляющих воздействий по каналам на устройство управления ферментацией. Значение рН находится в Fl(l), а значение напряжения, которое должно быть на насосе при подаче глюкозы, передается через F2(4), F1 (…), F2(…) — четырехзначные целые числа.
Описание переменных и присвоение начальных данных:
Эта программная единица подключается к работе после того, как экспериментатор введет значение SH, равное 1.
Организация ввода необходимых данных:
Эта программная единица подключается к работе по требованию экспериментатора.
Пример 2. Реализовать автоматическую подачу уксусной кислоты в ферментер.
Содержание уксусной кислоты в культуральной жидкости во время биосинтеза лизина на ацетатной среде может изменяться в определенных пределах. При введении уксусной кислоты в культуральную среду в процессе ферментации наряду с повышением концентрации ацетата одновременно происходит заметное снижение рН среды, т. е. существует тесная связь между подачей ацетата в ферментер и изменением рН культуральной жидкости.
Для автоматизации подачи в начале процесса экспериментатор вводит в ЭВМ уставку по рН, которая передается на устройство управления ферментацией, и переменные калибровки насоса. Затем устройство управления поддерживает рН на определенном уровне, а ЭВМ подсчитывает поданный в ферментер объем ацетата до ввода экспериментатором результатов анализа по ацетату, азоту, лизнну. После ввода анализов ЭВМ переопределяет уставку рН, передает ее на устройство управления ферментацией и продолжает подсчитывать объем поданного ацетата до ввода данных по результатам анализов. Объем подсчитывается по формуле
Обозначим переменные: рН — уставка рН; LLT1 — время работы насоса, с; LV1 — объем, отработанный насосом в мл за время LLT1; LLU — напряжение на насосе; Т (LT4 = Т + 2) — текущее время; LV — поданный объем ацетата; LV2 — поданный объем ацетата за 2 с; РН1 — массив запоминания уставок; РН2 — счетчик числа изменения уставок; СН — результат анализа по ацетату; CL — результат анализа по лизину; CN — результат анализа по азоту; РН = 8.7 — 1,46/ (СН + 0.68) — формула переопределения уставки.
Описание переменных и присвоение начальных данных:
Fl(l), Fl(6) — переменные, принимающие значения 1-го и 6-го каналов (1-й канал — РН, 6-й канал — напряжение на насосе, подающем кислоту): F2(l) — переменная передачи уставки по РН.