Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Обзор современного состояния систем автоматизации научных
исследований 10
Необходимость создания автоматизированной системы сбора, обработки, хранения и представления лабораторной информации 11
Особенности задач биотехнологических лабораторий 18
Постановка задачи создания программно — аппаратного комплекса (ПАК) для биотехнологической лаборатори 19
Типовые задачи и функции систем автоматизации исследований 20
1.5 Обзор существующих систем автоматизации лаборатории 23
Глава 2. Разработка методики создания программно-аппаратного комплекса
автоматизации биотехнологической лаборатории 26
Описание типовых задач технологов, типовых запросов к данным, их математическая обработка, вводи представление 26
Кинетические характеристики процесса биосинтеза 28
Математические модели кинетики биосинтеза продуктов метаболизма как функции от удельной скорости роста 30
Субстрат-зависимые модели кинетики биосинтеза продуктов метаболизма 32
Существующие варианты управления лабораторными исследованиями... 35
Создание инженерной методики реализации автоматизированного лабораторного комплекса 51
Комплекс BioFlo как объект исследования 58
Оборудование и программное обеспечение 58
Преимущества технологий National Instruments 62
Заключение по второй главе 64
Глава 3. Практическая реализация программно - аппаратного комплекса
автоматизации системы научных исследований процесса биосинтеза лизина 65
Разработанный подход к хранению данных 65
Реляционная модель СУБД 66
3.2.1 Реализации моделей данных 68
3.3 Описания наиболее распространенных СУБД, их преимущества и
недостатки для применения в целях хранения и обработки результатов
экспериментов 69
Oracle 75
MySQL 76
SQL Server 78
InterBase / FireBird 80
Access 82
3.4 Выбор СУБД для реализации функции хранения данных 83
3.4.1 Преимущества технологий Oracle 84
3.5 Внутренняя структура реляционных связей в базе данных ПАК 88
Заключение по третьей главеї 95
Глава 4. Описание работы разработанной системы. Пример использования
разработанной системы ПАК АСНИ 96
Основные структурные элементы комплекса 96
Рабочие циклы экспериментов 98
Пакетная загрузка данных в СУБД 102
Управление доступом к системе 105
Практическое применение разработанного ПАК для процесса определения потребности культуры в лейцине 107
Описание проведения экспериментов 108
Определение скорости потребления лейцина продуктом 111
4.6 Особенности внедрения комплекса в действующую лабораторию 117
Заключение 119
Список использованной литературы 124
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Заключения об использовании результатов диссертационной
работы 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Экспериментальные данные процесса ферментации лизина в
аппаратах BioFlo 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Фрагменты программного кода модулей и СУБД 138
Введение к работе
В настоящее время научные исследования во многих областях знаний проводятся большими коллективами ученых, инженеров и конструкторов с помощью сложного и дорогостоящего оборудования. Значительные затраты ресурсов для проведения таких исследований обусловили необходимость повышения эффективности этой работы.
Эффективность научных исследований во многом связана с уровнем использования компьютерной техники. Типичным примером для таких работ является проведение научных исследований процессов биосинтеза в исследовательских лабораториях.
В работе рассмотрены основные задачи создания автоматизированных систем научных исследований процессов биосинтеза лизина. Несмотря на повсеместное распространение систем автоматизации в промышленности, основные трудоемкие задачи исследовательской лаборатории (сбор и архивирование входных/выходных потоков информации о процессе, статистическая обработка информации, сортировка и проверка достоверности полученных данных) выполняются вручную, либо с помощью офисных пакетов приложений, не предназначенных для подобных целей.
В последнее время большое распространение получили лабораторные ферментационные комплексы типа BioFlo, которые используются для исследования процессов культивирования продуцентов различных ценных веществ, как аминокислоты (лизин), антибиотики (эритромицин), низин (пищевая добавка) и других. На таких установках проводятся серии опытов для получения новых штаммов и исследования уже существующих. Большую роль играют эксперименты по определению оптимальных условий для ферментации того или иного продукта - поиск зависимостей температуры, рН, р02, которые обеспечивают максимальную удельную
5 производительность биореактора, минимальное количество побочных продуктов, состав культуральной жидкости, обеспечивающий дешёвое выделение целевого продукта. В качестве управляющих воздействий обычно выступают концентрации различных реагентов и расходы подпиток, расход воздуха на аэрацию.
Внедрение современных информационных технологий в процесс исследования микроорганизмов позволяет интенсифицировать процесс научных исследований и автоматизации основные трудоемкие и рутинные задачи.
Цель работы заключается в разработке программно-аппаратного комплекса лабораторных исследований для автоматизации процесса исследований биосинтеза лизина.
В соответствии с целью в рамках диссертации решались следующие задачи:
анализ существующих наработок в области программного и аппаратного обеспечения в области автоматизации научных исследований;
исследование лабораторного ферментационного комплекса BioFlo как объекта автоматизации, и создание автоматизированной системы научных исследований;
анализ и классификация существующего программного и аппаратного обеспечения для реализации программного комплекса для автоматизации процесса исследования;
апробация разработанного программно-аппаратного комплекса путем реализации автоматизированной системы научных исследований на примере процесса изучения лизина.
6 Методы и объекты исследований. Объектом исследований в данной работе являлся лабораторный комплекс BioFlo на базе лабораторий Института Промышленной Биотехнологии МГУИЭ. Для решения поставленных задач использовались следующие методы: обследование и алгоритмизация объекта исследования (лабораторного стенда), декомпозиция процесса сбора и обработки информации, построение сетевых структур архитектуры «клиент-сервер», формализация функций персонала, синтез пользовательских интерфейсов в SCADA системах, методы объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложены этапы разработки и реализации программно-аппаратного комплекса, основанные на применении объектно-ориентированного программирования и средств языка SQL для доступа к накопленным экспериментальным данным;
разработана структура автоматизированного комплекса управления лабораторными исследованиями. Все основные потоки данных передаются непосредственно на лабораторный сервер посредством преобразователей интерфейсов;
проведена идентификация параметров модели биореактора для исследования процесса биосинтеза лизина.
Практическая значимость заключается в реализации вариант программного комплекса автоматизации процессов исследований для биотехнологической лаборатории. В работе предложен подход к реализации комплекса автоматизации лаборатории на основе применения устройств связи с объектом (УСО) и программного управления алгоритмами.
7 Реализован блок имитационного моделирования биосинтеза лизина для вычисления теоретического выхода полезного продукта в результате эксперимента.
Большинство принципиальных решений автора по автоматизации лаборатории использовано при проектировании системы управления пилотной установки комплекса «БиоПарк» (Республика Чувашия), снизить срок выхода проекта на нормальный режим работы.
Полученные в работе результаты рекомендованы для дальнейшего развития и внедрения на объекты, где решаются аналогичные задачи исследований. При переходе от этапов лабораторных исследований к опытному производству необходимо проводить повторную идентификацию параметров модели, сохраняя программно-аппаратную структуру комплекса.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ММТТ-22, 2008; в Институте систем управления БГТУ "Военмех" им. Д.Ф. Устинова, на XVII Международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии», 2009 , а так же на нескольких конференциях студентов и аспирантов в Московском государственном университете инженерной экологии. Разработанный программный комплекс принят к внедрению на работающем комплексе лабораторий Института Промышленной Биотехнологии МГУИЭ
Публикации по теме исследования. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 7 печатных работах (из них З в журналах из списка рекомендованных ВАК).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 3-х приложений. Работа изложена на 150 страницах
8 машинописного текста, содержит 45 рисунков, 6 таблиц. Список литературы включает 91 наименование.
Во введении дано краткое изложение содержания работы по ее
разделам. Проводится анализ актуальных задач при изучении процессов
биосинтеза. Показана необходимость повышения эффективности
исследований путем внедрения современных информационных технологий.
В первой главе подробно рассматривается текущее состояние автоматизации научных исследований. Проводится сравнительный анализ задач автоматизированных систем научных исследований (ПАК АСНИ) и автоматизированных систем управления (АСУ) различных производств
Вторая глава посвящена описанию исследований процесса биосинтеза лизина в лабораторной установке BioFlo. Исследуются процессы, сопровождающие все этапы подготовки, непосредственной постановки эксперимента и последующих обработки и анализа результатов.
Третья глава посвящена выбору и обоснованию аппаратных и программных средств реализации автоматизированного комплекса исследований. Обосновано применение СУБД ORACLE 10g как основы, для построения системы сбора, анализа и представления данных.
В главе 4 приводится описание результатов работы предлагаемого программного комплекса. На примере постановки экспериментов для изучения каждого из параметров процесса приводятся алгоритмы работы с программным комплексом при изучении потребности культуры лизина в ростовом факторе.
В заключении исследуются результаты проведенной работы и подводятся основные итоги.
9 По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Шотин А.Б., Зубов Д.В. Программная реализация автоматизированной системы научных исследований для биореакторов периодического действия // Автоматизация в промышленности - 2009. - № 11. - С. 17 - 20.
Шотин А.Б., Зубов Д.В. Система автоматизированного управления аппаратами периодического действия // Химическое и нефтегазовое машиностроение -2009. —№11, С.27-30.
Шотин А.Б., Юхневич Р.В.. Применение автоматизированной системы научных исследований процессов биосинтеза // Новые информационные технологии". Тезисы докладов XVII Международной студенческой школы-семинара - М.: - МИЭМ, 2009. С.200 - 201.
Шотин А.Б., Зубов Д.В. Автоматизированная система научных исследований процессов биосинтеза // Сб. тр. XXI международная, конференция ММТТ-21. Т6. Саратов, 2008. С Л 08 - 109.
Шотин А.Б. Разработка методики создания автоматизированной системы научных исследований // Приборы - 2009. - №12.. С.26 - 30.
Парамонов Е.А., Шотин А.Б, Адаптивное управление процессом биосинтеза лизина. Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2009. С.135
