Введение к работе
Актуальность работы. Проблема дефицита белка и витаминов сегодня весьма актуальна. Поэтому большого внимания заслуживают дрожжи как ценный продукт питания. Использование их различно. В медицине их назначают здоровым людям для профилактики, а также после тяжелых инфекционных заболеваний, ожогах, туберкулезе, бруцелезе, травмах и многих других болезнях. В сельском хозяйстве их добавляют в корм скоту. Давно и широко дрожжи применяются в хлебопекарной, кондитерской, витаминной промышленности и в виноделии. В связи с этим перед современной биотехнологией встает ряд следующих задач: увеличение выхода целевого продукта; улучшение его качества ; продление сроков хранения; анализ содержания в нем вредных компонентов и токсичных веществ, а также вопросы управления биотехнологическими процессами.
Показатели качества в дрожжевой промышленности зависят от микробиологических, технологических условий выращивания и, отчасти, хранения. Немаловажное значение имеет инфекция, т.е. обсемененность дрожжей посторонними микроорганизмами. Присутствие в готовых дрожжах, помимо основной культуры, представителей других популяций существенно ухудшает их бродильную активность, уменьшает подъемную силу, снижает срок хранения.
Интенсификация научно-исследовательских работ, качество исследований, надежность и достоверность получаемых результатов - одно из направлений, которое позволит улучшить качество выпускаемых дрожжей. А одной из действенных мер. направленных на повышение достоверности получаемой информации, эффективности труда исследователей , продуктивности процессов - является применение математических методов и вычислительной техники в научных исследованиях.
Актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью улучшения качества дрожжей при производстве за счет снижения их инфицированное путем применения возможных способов борьбы с посторонними микроорганизмами на разных технологических стадиях и разработки алгоритмов, систем и устройств управления процессом на основании этих способов.
Диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизированных систем управления Воронежской государственной технологической академии и соответствует научному направлению ВГТА "Разработка и совершенствование способов и средств автоматизации и управления пищевых и химических производств".
Целью работы является разработка методов, алгоритмов и устройств
управления микробиологическим экспериментом и производством на базе математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
разработать алгоритмы и устройства для управления микробиологическим производством в условиях конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, позволяющие снизить инфицированность процесса:
-
обосновать выбор математической модели, адекватно описывающей процесс микробиологического эксперимента и производства, и возможности управления им при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов;
-
провести качественное исследование выбранной математической модели с целью получения возможных вариантов поведения и управления при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов, оценить условия устойчивости и область притяжения положений равновесия конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;
-
исследовать экспериментально конкурентное взаимодействие двух популяций микроорганизмов для определения возможных вариантов и каналов управления процессом производства жидкой ржаной закваски. Выявить конкретные способы управления с целью устранения посторонней микрофлоры на стадии производственного процесса.
Научная новизна.
Проведено качественное исследование математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, используемой для управления микробиологическим производством, в результате которого получены:
условия устойчивости конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;
определены конкретные значения особых точек на фазовой плоскости при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов и область притяжения устойчивого положения конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;
условия роста полезной и поддержания численности "диких" микроорганизмов в допустимых пределах при сохранении устойчивого состояния конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;
численные значения коэффициентов математической модели для процесса производства жидкой ржаной закваски.
Разработаны алгоритмы и устройства, позволяющих управлять микро-галогическим экспериментом и производством в условиях конкурентного заимодействия двух популяций микроорганизмов.
Экспериментально подтверждены теоретические исследования.
Практическая ценность.
Определены два конкретных способа управления и поддержания чис-2ННОСТИ "диких" микроорганизмов в допустимых пределах для процесса эоизводства жидкой ржаной закваски.
Предложены:
алгоритм управления ростом полезных и "диких" микроорганизмов на основе определения коэффициентов математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций и подачи в питательную среду стимулятора роста полезных микроорганизмов;
устройство, позволяющее оперативно определять количество "диких" микроорганизмов и управлять отбором части биомассы с основным содержанием "диких" микроорганизмов, на основе создания электрического поля в верхнем слое культуральной жидкости и специфической конструкции данного устройства;
система регулирования, использующая нечеткий алгоритм управления изменением биомассы среды.
Использование результатов работы позволит получить экономический )фект за счет увеличения выхода качественной продукции, что является ишым для современных рыночных отношений.
Реализация результатов работы. Проведены испытания на АООТ "Хле-)завод N 5" г.Воронежа способа производства жидкой ржаной закваски с юсением в питательную среду глюконата кальция с положительным ре-гльтатом.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и об-гждались на XXXIV отчетной научной конференции за 1994г. (Воро-;ж,1994), IV Всероссийской конференции "Повышение эффективности обра-зтки информации на базе математического и машинного моделирования" Гамбов. 1995). Всероссийской конференции "Информационные технологии и кггемы" (Воронеж.1995). Международном экологическом конгрессе (Воро-їж, 1996). Российском молодежном научном симпозиуме "Молодежь и пробили информационного и экологического мониторинга" (Воронеж.1996). зероссийской конференции "Современные достижения биотехнологии" Ставрополь. 1996), Международной конференции "Математические методы в шии и химической технологии". Школа молодых ученых (Тула, 1996). II зспубликанской электронной научной конференции "Современные проблемы
автоматизации" (Воронеж. 1997), Международной научно-практической ко ференции "Научно-технический прогресс в бродильных производствах" (В ронеж. 1997), Международной конференции "Прогрессивные технологии оборудование для пищевой промышленности" (Воронеж. 1997).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печа ных работ, в том числе получено 1 положительное решение о выдаче п тента по заявке на изобретение N 96114611/13(020812).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из вв дения. четырех глав, заключения, списка литературы из 150 наименован и содержит 158 страниц машинописного текста. 21 рисунка. 6 таблиц приложения на 8 страницах.