Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основные методов исследования
сложных биохимических систем (БХС) является математическое
моделирование, опирающееся на широкое применение компьютеров Оно открыло перед исследователями большие возможности в разработке математических описаний и моделей биохимических процессов
При изучении любого биохимического процесса формируется большой массив экспериментальных данных о его характере и свойствах Для обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследовании, выявления основных взаимосвязей и закономерностей между факторами, характеризующими изучаемый процесс, широко используют методы математического моделирования Они позволяют описать поведение объекта системой алгебраических или дифференциальных уравнений, связывающих важнейшие биохимические параметры
При исследовании биохимических процессов происходит усложнение и изменение моделей при переходах от эксперимента к теории и затем к практике. При наличии адекватной модели имеется возможность изучить процесс, его поведение в различных режимах с помощью расчетов, не прибегая каждый раз к проведению дополнительных экспериментов Чрезвычайно важным является то, что процессы получения продуктов биосингеза требуют отыскания моделей не только получения, но и управления этими процессами, а также их автоматизации и оптимизации,
Отечественными и зарубежными учеными (М Михаэлисом, Б А.
Устинниковым, В Л Яровенко, Н И Даниляк, Н Г Черевко, Р М Леппо,
Л А Ровинским, В М Клепниковым, М Л Мальденштейном, С В
Востриковым и др) разработаны основные методологические принципы и подходы математического моделирования биохимических процессов, протекающих при спиртовом брожении Следует подчеркнуть, что в большинстве исследованных работ изучение влияния каждого из факторов на результаты брожения осуществляется при относительном постоянстве остальных факторов
Наиболее актуальной задачей на современном этапе развития данного научного направления является разработка математических моделей процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, универсальных по отношению к любым его видам, комплексно учитывающих все компоненты, участвующие в процессе, а также реализация на их базе алгоритмов и аппаратно-программных комплексов, позволяющих качественно управлять этим процессом, автоматизировать и оптимизировать его.
Объектом д;'.есертяи"""""й работы являются биохимические процессы, протекающие при осахаривании крахмалсодержащего сырья Предметом исследований являются математические модели массообменных процессов осахаривания
Целью работы является разработка и исследование математической модели осахаривания крахмалсодержащего сырья для мониторинга процесса
на основе вычислительного эксперимента
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие частные задачи
Провести анализ существующих методологических подходов, методов и моделей массообменных процессов осахаривания
Разработать математическую модель процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, комплексно учитывающую все компоненты, участвующие в процессе
С помощью инструментальных средств на основе данных натурного эксперимента определить кинетические коэффициенты модели
Разработать автоматизированную экспериментальную установку контроля степени осахаривания крахмалсодержащего сырья
Реализовать практические возможности разработанной математической модели в научной и производственной деятельности
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы математического моделирования, теории дифференциальных уравнений, численных методов, системного анализа, оптимизации
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок Справедливость выводов относительно адекватности предложенной модели подтверждена согласованностью с экспериментальными данными Научная новизна:
1. Впервые разработана математическая модель процесса осахаривания крахмал содержащего сырья, описывающая кинетику изменения основных параметров процесса с учетом белкового компонента
На основе сопоставления вычислительного и натурного экспериментов изучена динамика изменения крахмала, мальтозы, декстринов, белков и других компонентов фермент-субстрактного комплекса при осахаривании крахмалсодержащего сырья, и уточнены кинетические коэффициенты модели
Разработана автоматизированная экспериментальная установка для проведения исследований зависимости между количеством потребляемой двигателем энергии и степенью осахаривания крахмалсодержащего сырья
Предложена схема использования разработанной математической модели для мониторинга процесса осахаривания
Практическая значимость работы Полученные соотношения позволяют прогнозировал, 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
Апробация работы Основные положения работы были доложены на
III Международной научно-технической конференции
«Инфокоммуниационные технологии в науке, производстве и образовании» (Кисловодск, 2008 г), VIII Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи-Адлер, 2007г), VII Международной научно-пракгической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2007г), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы обеспечения устойчивого экономического роста аграрного сектора экономики» (Ставрополь, 200бг)
Положения, выносимые на защиту
Математическая модель процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, описывающая кинетику изменения основных параметров процесса с учетом белкового компонента
Результаты вычислительного эксперимента по мониторингу и оптимизации процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья
Автоматизированная экспериментальная установка контроля степени осахаривания для реализации практических возможностей разработанной математической модели в научной л производственной деятельности
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 — в научных ж>рналах из перечня ВАК РФ, 2 работы депонированы в ВИНИТИ, 2 работы опубликованы в сборниках научных трудов Всероссийских конференций, 2 работы - в сборниках научных трудов Международных конференций Подана заявка на изобретение X» 2007105417 от 13 02 2007
Структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения Содержит 115 страниц, 3 таблицы, 27 рисунков, 4 приложения Список литературы содержит 120 наименований
Реализация результатов Основные результаты диссертационных исследований внедрены в производственную деятельность ЗАО «ТУЛАСПИРТ» (акт о внедрении от 2012 2007г), ООО «Новоалександровский спирто-дрожжевой комбинат» (акт о внедрении от 4 03 2008г)
