автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование устойчивости реакторов с мембранным разделением с использованием информационно-аналитического программного комплекса

Тарутина Наталья Вячеславовна

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РЕАКТОРОВ С МЕМБРАННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА

05.17.08 Процессы и аппараты химической технологии

05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология, нефтехимия и нефтепереработка, биотехнология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2010

2 8 ЯНВ ?ою

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева.

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Софиев Александр Эльхананович

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор,

заведующий лабораторией «Технология промышленного биосинтеза» ОАО ГосНИИСинтезбелок» Винаров Александр Юрьевич

Кандидат технических наук, руководитель отдела информационных технологий ООО «Татнефть-АЗС-Запад» Войновский Алексей Александрович

Ведущая организация Московский государственный университет

прикладной биотехнологии (г. Москва)

Защита диссертации состоится « ^» Фв^ЛиА 2010 г. в /3^ часов в Конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.204.03 в РХТУ им. Д.И. Менделеева по адресу: 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан «<ЗР» ^¿¿¿¿¡^ г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.03

Женса А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время актуальным является разработка и использование оборудования, совмещающего в себе различные процессы, например, реакторы с мембранным разделением (РМР). Совмещение процессов позволяет добиваться высокого качества продуктов, ресурсо- и энергосбережения. Однако совмещение разных процессов в одном оборудовании или технологической схеме порождает новые задачи в проектировании и эксплуатации этого оборудования. Одной из возникающих задач является определение устойчивых режимов работы при переходе к непрерывным технологиям. Проблема устойчивости функционирования технологических процессов непосредственно связана с возникновением аварийных ситуаций и обеспечением безопасной работы химических и биотехнологических производств; повышением производительности схемы или аппарата; повышением качества продукта; контролем и управляемостью процессом.

Реакторы с мембранным разделением (РМР) или, другими словами, технологические схемы «реактор - мембранный модуль» активно используются в различных отраслях промышленности последние двадцать лет. Рост использования этого оборудования связан с развитием керамических мембран, выдерживающих агрессивные среды и высокие температуры и поддающихся регенерации. РМР применяются для синтеза химических соединений, очистки сточных вод, в химико-фармацевтической промышленности, а также в энергетике при производстве биотоплива.

В настоящей работе исследовалась устойчивость технологических процессов в технологической схеме, состоящей из реактора и мембранного модуля, и разрабатывался информационно-аналитический программный комплекс для исследования устойчивости, поддержки принятия решения, оценки эффективности, качества, надежности этого оборудования и приведены примеры расчета процессов синтеза лимонной и молочной кислот. Использование реактора с мембранным разделением позволит перейти на полупериодический или непрерывный режимы, что повысит производительность, безопасность работы, качество продукта, управляемость и контроль производства. Однако вопросы устойчивости РМР для биосинтеза

практически не исследованы. Поэтому представляется актуальным развитие подхода к анализу устойчивости на основании первого метода Ляпунова и разработка информационно-аналитического комплекса (ИАК). При разработке ИАК были использованы современные принципы обработки и хранения информации, основанные на объектно-ориентированном принципе программирования.

Таким образом, выполненная работа является вкладом в решение общей задачи определения устойчивости технологических схем «реактор -мембранный модуль», а также разработки технолого-аппаратурного оформления производств лимонной и молочной кислот. Работа выполнялась в соответствии с ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы".

Цель работы заключалась в исследовании устойчивости реакторов с мембранным разделением при переходе к непрерывным технологиям с помощью информационно-аналитического программного комплекса. В соответствии с целью в рамках диссертации решались следующие задачи:

• анализ устойчивости (аналитический и численный) реактора с мембранным разделением с использованием первого метода Ляпунова;

• разработка информационно-аналитического программного комплекса, основанного на блочном принципе, что позволяет, варьируя отдельные блоки, использовать ИАК для различных целей: исследования по модели, предпроектные расчеты и определение коридора оптимальных параметров;

• выявление параметров работы технологической схемы «реактор -мембранный модуль», влияющих на устойчивость работы и качество продукта; определение коридора рабочих параметров;

• проверка адекватности результатов моделирования экспериментальным данным, проведение дополнительных экспериментов по результатам расчетов.

Научная новизна. Впервые проведен анализ устойчивости работы технологической схемы «реактор - мембранный модуль».

Выявлены основные параметры, влияющие на устойчивость работы реактора (селективность мембраны по разным компонентам; скорость протока через мембранный модуль; скорость протекания реакции превращения в реакторе; стресс микроорганизмов, определяемый гидродинамической

обстановкой в реакторе), и определен допустимый коридор параметров ведения процесса.

Разработанный информационно-аналитический программный комплекс для определения устойчивости РМР позволяет распространить исследование на различные типы реакций, а также может использоваться в качестве системы поддержки принятия решения при проектировании, оценки эффективности, качества и надежности РМР как сложных систем.

Разработанный блочный подход к созданию ИАК позволяет гибко использовать экспериментальные данные, справочную информацию и расчетные модули.

Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность эффективного использования технологической схемы «реактор - мембранный модуль» для интенсификации процесса и перехода от периодического к полунепрерывному и непрерывному процессу синтеза лимонной и молочной кислот.

Практическая ценность. На основании первого метода Ляпунова определена области устойчивой работы технологической схемы «реактор -мембранный модуль» при различных кинетических реакциях и схемах превращения веществ.

Разработанный программный комплекс имеет общий характер и содержит различные блоки, включающие математическое описание и процедуры, такие как кинетическая модель, модель фильтрации, устойчивость и прочие, позволяет проводить исследования по различным математическим моделям и вести предпроектные расчеты.

Предложенный ИАК позволил для конкретной задачи синтеза молочной и лимонной кислот определить параметры ведения непрерывных процессов, позволяющие повысить эффективность технологической схемы.

Пакет программ внедрен в РХТУ им. Менделеева для учебных целей и используется в Национальном политехническом Университете Лотарингии (Франция) для научных исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на II Международном Конгрессе «Биотехнология - состояние и перспективы развития», Москва, 2003; XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Санкт-

Петербург, 2003 г.; Международных конференциях молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2005», «МКХТ-2006», Москва; 16-ом Международном конгрессе по химии и химической технологии «СН18А-2004», Прага, 2004 г.; 14-ой Международной выставке химической промышленности и науки «Химия 2007», Москва, 2007 г. (удостоена диплома Российского химического общества им. Д.И. Менделеева).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ (1 статья в журнале, рекомендованном ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Основной материал изложен на 143 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков, 13 таблиц. Список литературы содержит 131 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, поставлена цель работы, обоснован применяемый подход к решению задачи.

В первой главе - литературном обзоре - проведен анализ реакторов для химической, биотехнологической отраслей промышленности и очистки сточных вод. Показана перспективность совмещения различных процессов в одной технологической схеме, в том числе, в реакторах с мембранным разделением. Рассмотрены основные задачи, связанные с проектированием и эксплуатацией этого типа оборудования.

Проведен анализ исследований устойчивости химических и биологических процессов с использованием оценки устойчивости по Ляпунову, а также бифуркационного анализа моделей непрерывных реакторов. Рассмотрены основные модели и пакеты программ, направленные на решение задач устойчивости, моделирования и автоматизированного проектирования химического оборудования.

В соответствие с целью работы и на основании выводов, сделанных в результате анализа литературы, была сформулирована постановка задачи и намечены этапы ее решения.

Вторая глава посвящена описанию математических моделей процесса, а также исследованию устойчивости работы РМР с использованием первого метода Ляпунова.

Система «реактор - мембранный модуль» представлена на рис. 1. При ведении процесса в условиях периодической ферментации отсутствует проток через мембрану. При переходе к условиям непрерывной ферментации смесь из реактора насосом прокачивается через мембранный модуль, где фильтруется через мембраны. Мембраны подобраны таким образом, что биомасса не проходит через них. Фильтрат (содержащий в основном продукты метаболизма) поступает в сборник продукта, а затем поступает на очистку от побочных продуктов. Присутствует насос для обратной промывки мембран с целью освобождения от осадка. В реакторе контролируется температура, давление и уровень жидкости, субстрат

Рис. 1. Схема реактора с внешним мембранным модулем: 1 - реактор, 2 - насос, 3 - аэратор, 4 - мембранный модуль

Были рассмотрены основные структурные связи в реакторе с мембранным разделением. Учет взаимовлияний может объяснить возникновение неустойчивости работы реактора с мембранным разделением. Общее представление об обратных связях за счет рециркуляционного потока в технологической схеме «реактор - мембранный модуль» показано на рис. 2. Как видно из рисунка, концентрация продукта влияет на концентрацию биомассы по принципу Ле-Шателье, концентрация биомассы влияет на концентрацию, как продукта, так и субстрата, концентрация субстрата влияет на концентрацию биомассы, и как следствие, на концентрацию целевого продукта.

Наличие положительных обратных связей может привести к возникновению неустойчивого режима в процессе. Рост концентрации биомассы приводит к росту концентрации продукта (положительная обратная связь, см. рис. 2), кроме того, рост концентрации субстрата приводит к росту

биомассы (положительная обратная связь), рост биомассы приводит к уменьшению субстрата (отрицательная обратная связь).

Р

Входные

параметры

Рис. 2. Обратные связи в реакторе с мембранным разделением

В диссертационной работе показано использование первого метода Ляпунова для анализа устойчивости: линеаризация уравнений, исследование устойчивости линейных приближений, определение неподвижных точек, их типа; рассмотрение бифуркации в нелинейных уравнениях.

В основу расчета устойчивости положена кинетическая модель биосинтеза широкого класса соединений, в частности лимонной кислоты (Винаров А.Ю., 1997), модифицированная и учитывающая идеальное перемешивание в реакторе, подачу части реакционной массы из реактора в мембранный модуль и фильтрацию на мембране. Уравнения математической модели имеют следующий вид: ёХ

<И

л'

= цХ-ЬХ2 -ОХА„

а? А а? А.

+ О80-В8А3

с1Р ■>

(И р

(1) (2) (3)

где X, Б, Р - концентрации биомассы, субстрата, продукта реакции соответственно, г/л; ¡л - удельная скорость роста бактерий, 1/ч; Ь -коэффициент ингибирования скорости роста клеток, л/(г*ч); q - удельная скорость образования лимонной кислоты, гЛк/Гбиом.*ч; к - коэффициент ингибирования роста продукта, л/(г*ч); ах5 и ар5 - расходные коэффициенты

потребления субстрата на рост биомассы и производство продукта соответственно, гсубст/г; Ах, Аэ, Ар - коэффициенты прохождения сквозь мембрану по биомассе, субстрату и продукту, характеризующие селективность; Э - скорость протока, 1/час; I - текущее время, ч. Здесь Б = О/У, где 0 - расход смеси, м3/ч; V - объем смеси в реакторе, м3.

Уравнение (1) характеризует изменение концентрации биомассы во времени. Уравнение (2) - материальный баланс по субстрату, (3) -материальный баланс по продукту.

В модели учитывается стресс микроорганизмов в виде коэффициента Ь, который учитывает стесненность биомассы. Значения коэффициентов Ах, Ар были оценены на основе характеристик мембраны и экспериментальных данных.

Полученная модель позволяет выявить общие закономерности функционирования системы. Кроме того, если ввести зависимости изменения Ах, Аб, Ар от времени, то возможно рассмотреть реальный процесс: забивку мембраны от времени и ее очистку обратной промывкой.

Если рассматривать процесс, целью которого является накопление целевого продукта, то при переходе от периодического процесса к непрерывному возникают новые задачи оптимизации по таким параметрам, как скорость протока и время подключения мембранного элемента; причем, как показывают предварительные расчеты, даже небольшое изменение режима работы мембранного элемента может изменить производительность реактора по целевому продукту в несколько раз. В качестве критерия выбора оптимальных значений данных параметров использовалась производительность реактора по целевому продукту. Рассчитанные оптимальные значения технологических параметров составили: время подключения мембранного модуля Твкл = 50 ч, скорость протока В0Пт= 0.115 1/ч. Экспериментальные данные полученные в лабораторном реакторе объемом 5 литров с турбинной мешалкой (п = 300 об/мин) и аэрацией подтвердили адекватность модели реальному процессу.

Для вышеприведенных уравнений математической модели процесса синтеза лимонной кислоты было проведено с использованием первого метода Ляпунова аналитическое решение для анализа устойчивости: система линеаризована, найдены состояния равновесия и определен их тип.

Установлено, что наблюдается бифуркация седло-узел, точка бифуркации

~ ц 0.071 ..„1т, г.

D = -j-=-j-^r = 1.42—. Высокое значение скорости протока D свидетельствует

о том, что ранее определенные оптимальные значения DonT и Твкл соответствуют устойчивому режиму работы. В случае описания удельной скорости роста бактерий ц уравнением Моно, возможно только численное определение коридора параметров устойчивой работы реактора, которые практически совпадают с рассчитанными по модели синтеза при постоянной удельной скорости (Д.

Математическая модель процесса синтеза молочной кислоты в РМР сформирована исходя из условий идеального смешения в реакторе и состоит из дифференциальных уравнений для биомассы, субстрата и продукта. Уравнение для роста биомассы базируется на сложной зависимости от концентраций субстрата и продукта. Особенностью данной модели является учет особых «стрессовых» ситуаций в реакторе, когда высокая концентрация биомассы в реакторе вынуждает усложнять математическую модель с целью сохранения адекватности. Уравнения математической модели и значения коэффициентов приведены в диссертации.

Третья глава посвящена описанию информационно-аналитического программного комплекса, с помощью которого можно рассчитывать параметры устойчивости работы РМР, рекомендовать коридор оптимальных значений параметров ведения процесса.

Структура программного комплекса представлена на рис. 3.

В основе программного комплекса - блочный подход, позволяющий гибко менять блоки, дополнять, что крайне удобно для исследований по модели.

На рис. 3 видно, что в основе расчетов - модели кинетики и фильтрации на мембране. Модель гидродинамики отсутствует, т.к. предполагается идеальное смешение в реакторе, что соответствует действительности для реакторов смешения. Модель кинетики может изменяться. Блок проверки адекватности позволяет сравнивать расчетные данные с экспериментальными. Модель непрерывного режима работы реактора с мембранным разделением включает блоки определения времени подключения мембраны и скорости протока через мембранный модуль.

Именно для модели реактора с мембранным разделением, работающего в непрерывном режиме, разработан блок устойчивости. В нем определяются фазовые портреты, зависимости параметров устойчивой работы от:

■ скорости протока;

* селективности мембраны;

■ скорости роста микроорганизмов.

Рис. 3. Структура программного комплекса

Ко всем отдельным блокам существует возможность подключения графиков и таблиц.

При запуске программного комплекса появляется главное окно с семью внутренними окнами и системой меню. Главное окно, открываемое при запуске, представлено на рис. 4.

Программный комплекс содержит базы данных экспериментальных исследований, мембран и следующие блоки:

■ кинетическая модель; ■ периодический режим;

■ модель фильтрации; ■ непрерывный режим;

■ начальные условия; ■ устойчивость.

• эксперимент;

Передача информации и данных между блоками осуществляется по разработанным правилам и алгоритмам.

л

Начмьныеуглоеия

Устойчивость (т = соп81)

и

Устойчивость как »цккция от сирости протока

«•1(0). ИЭД • мхлминаты осой« точ«. Оот Го" »'Г ^ Й &1Е

пп. Р4

«г«>М| Гр2ПРЗ

Устойчивость как »знкцмя от селективности

И!А«! ■ коорвичты особых то«к Акот ГГ V х! V *2

Г р2Г" рЗ 1_1 и^ Устойчивость ♦¡¡нш« от скорости роста т ■¿Щ - косдаизты оссЛа

„йл ай|оГ« лг £

Рис. 4. Главное окно программы до начала работы

Четвертая глава посвящена описанию результатов моделирования, анализу устойчивости РМР и проверке адекватности на основе экспериментальных данных.

Были проведены исследования устойчивости системы «реактор -мембранный модуль» при различных параметрах работы реактора, а также при различном режиме работы мембраны (коэффициенте прохождения сквозь мембрану, который может отражать, с одной стороны, забивку мембраны, с другой, может использоваться при выборе мембраны с определенной селективностью). На примере рассмотренной выше (1-3) кинетики синтеза лимонной кислоты анализировали влияние удельной скорости роста бактерий. Вычислительный эксперимент был выстроен следующим образом:

1 - при идеально работающей мембране;

2 - при предельно засоренной мембране;

3 - промежуточные случаи;

4 - анализ влияния селективности мембраны на производительность;

5 - сравнительный анализ устойчивости.

На рисунках 5 - 7, 9, 11 приведена серия графиков, отражающая 1 вариант: |! = Цо, идеально работающая мембрана. На графиках представлены изменение основных параметров, а также фазовые портреты.

Рис. 6. Изменение концентраций продукта (лимонной кислоты) и биомассы в зависимости от скорости протока

т

О 20 40 60 80 100 120 140 1

Рис. 5. Непрерывный режим

Рис. 7. Диаграмма функционирования Рис. 8. Диаграмма функционирования при

для случая идеально работающей мембраны в полностью забитой мембране в трехмерном трехмерном пространстве координат I - Р - О пространстве координат I - Р - Э (время - продукт - скорость протока) (время - продукт - скорость протока)

Рис. 5 иллюстрирует зависимость субстрата (8), биомассы (X) и продукта метаболизма - лимонной кислоты (Р) для непрерывного процесса. Точки перегиба соответствуют включению мембраны, при этом резко меняется концентрация субстрата и продукта, которые затем в процессе работы выходят на стационарные состояния.

Рис. 6 отражает изменение концентрации продукта и биомассы в зависимости от скорости протока. При идеально работающей мембране клетки не проходят сквозь мембрану и возвращаются в реактор, и их концентрация в

реакторе постоянна. Однако при низкой селективности мембраны по продукту, лимонная кислота проходит сквозь мембрану, и чем выше скорость протока, тем ниже концентрация кислоты в реакторе, из-за постоянного отвода продукта реакции.

Диаграмма функционирования в трехмерной системе координат (рис. 7) представляет собой классический вариант пространства катастроф типа «Складка». При полной забивке мембраны (рис. 8) складка вырождается в обычную выпуклую поверхность, которая везде однозначна и множественность стационарных состояний отсутствует.

Рис. 9. Фазовый портрет для случая идеально работающей мембраны в двухмерном пространстве координат Х-Р

Рис. 10. Фазовый портрет при полностью забитой мембране в двухмерном пространстве координат Х-Р

Рис. 11. Фазовый портрет для случая идеально Рис. 12. Фазовый портрет при полностью работающей мембраны в трехмерном забитой мембране в трехмерном

пространстве координат Х-Р-Б пространстве координат Х-Р-0

Рисунки 9 и 10 представляют собой фазовые портреты в координатах Х-Р, на которых присутствуют две стационарные точки. Для рис. 9 точка (0;0) неустойчива, а вторая точка устойчива и является устойчивым узлом. Третья стационарная точка не имеет физического смысла и на рисунке не показана.

Фазовьи

На рис. 11,12 показано изменение фазового портрета Х-Р в зависимости от скорости протока через мембранный модуль. Исследования по модели показали возможность возникновения неустойчивых режимов работы реактора. Изменение параметров приводит к изменению координаты состояния равновесия.

Исследования влияния селективности мембраны по продукту (по лимонной кислоте) аналогичны исследованиям с реально работающей (забивающейся во времени) мембраной.

Рис. 13. Влияние селективности мембраны по продукту

Расчеты и анализ влияния селективности мембраны по продукту на производительность показал, что следует использовать мембраны с Ар = 0.6+0.8. При этом достигается наиболее высокий выход по продукту -лимонной кислоте. Было установлено, что мембрана может работать до Ар = 0.3; при этом производительность уменьшается в допустимых пределах.

Кроме того, из расчетов и примеров графиков (рис. 13) влияния селективности мембраны по субстрату и продукту можно сделать вывод, что при оптимальных значениях скорости протока Б = 0.1 НО. 13 и Ах = 0.05: 1 - селективность мембраны по субстрату не влияет на процесс (сколько проходит через мембрану, столько и доливается в реакторе);

2 - при росте селективности мембраны по продукту, концентрация лимонной кислоты в реакторе растет при забивке мембраны, однако, если рассматривать производительность по лимонной кислоте, то она максимальная при Ар = 0.6-0.8. Таким образом, мембрану следует подбирать с Ар = 0.8 и не допускать засорения мембраны АР < 0.6.

Рис. 14. Зависимость производительности по лимонной кислоте от скорости протока (Ар = 0.6)

О 0.5 1 1,5 2

Скорость протока, 1/час

В том случае, если переменными являются все эти параметры, следует учитывать их связь исходя из рассчитанной точки бифуркации: Э = ц / Ах.

На основании анализа устойчивости, были проведены расчеты производительности по лимонной кислоте от скорости протока (рис. 14). Максимум производительности соответствует Б = 0.115 - 0.2, т.е. значению, приведенному во второй главе.

Расчеты производительности для реактора объемом 200 л (в коридоре параметров, см. таблицу 1) показали, что для непрерывного режима производительность выше, чем для периодического процесса.

Таблица 1

Рекомендуемые параметры

Ах АР А5 Б Твкл

0.05 0.6-0.8 0.3+0.9 0.11-0.13 50

Зависимость концентраций биомассы, субстрата, лимонной кислоты от времени для непрерывного режима работы реактора представлена на рис. 15, точки - экспериментальные значения, которые были определены в ходе экспериментальных работ.

Был проведен анализ устойчивости процесса синтеза молочной кислоты в РМР. Определены рабочие скорости протока и слива, которые, как и в первом случае, оказались далеки от бифуркационных значений. На рис. 16 представлены зависимости концентраций биомассы, субстрата, молочной кислоты от времени для непрерывного процесса (точки - экспериментальные значения). В результате расчетов установлено, что на 16 часу работы реактора

следует подключить мембранный модуль. Но при этом продолжается активный рост биомассы в реакторе, что влечет за собой стресс биомассы от стесненности и даже гибель клеток, что отражено в уравнениях модели. Поэтому через 62 часа необходим слив биомассы из реактора через специальный патрубок с рассчитанным расходом. Одновременное использование мембранного модуля, канала слива, позволяет добиться устойчивого непрерывного режима синтеза молочной кислоты с производительностью превышающей периодический.

Рис. 15. Зависимость концентраций Рис. 16. Зависимость концентраций

биомассы, субстрата, лимонной кислоты от биомассы, субстрата, молочной кислоты от времени для непрерывного режима времени для непрерывного процесса

Технологические схемы «реактор - мембранный модуль» находят все большее распространение не только для синтеза различных веществ, но и для процессов биоочистки. Поэтому предлагаемый подход к анализу устойчивости, а также информационно-аналитический программный комплекс могут быть использованы для выбора оптимальных режимов устойчивой работы реакторных схем для очистки сточных вод.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые проведен анализ исследования устойчивости технологической схемы «реактор - мембранный модуль» с использованием первого метода Ляпунова.

2. Разработанный информационно-аналитический программный комплекс для определения устойчивости РМР позволяет распространить исследование на различные типы реакций, а также может использоваться в качестве системы поддержки принятия решения при проектировании, оценки эффективности, качества и надежности РМР как сложных систем.

3. Разработанный подход к созданию ИАК, основанный на объектно-ориентированном программировании, позволяет гибко использовать экспериментальные данные, справочную информацию и математическое описание и процедуры, такие как кинетическая модель, модель фильтрации, устойчивость и прочие, которые удобно варьировать, дополнять.

4. Исследование устойчивости позволило выявить параметры, изменение которых значимо влияет на процесс, и определить коридор параметров, в пределах которого достигается максимальный выход продукта. Было проанализировано влияние работы мембраны (селективности по биомассе, продукту, субстрату); скорости протока; для молочной кислоты - по скорости слива и стрессу микроорганизмов.

5. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанного программного продукта, моделей и подхода к анализу устойчивости.

6. Теоретически и экспериментально подтверждена возможность перехода от периодического к непрерывному процессу синтеза лимонной и молочной кислот в реакторах с мембранным разделением.

7. Информационно-аналитический программный комплекс внедрен в РХТУ им. Д.И. Менделеева для учебных целей и используется в Национальном политехническом Университете Лотарингии (г. Нанси, Франция) для научных исследований.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тарутина Н.В., Софиев А.Э. Анализ устойчивости функционирования мембранных биореакторов // Теоретические основы химической технологии. -2008. - Т. 42, № 3. - С. 251-256.

2. Тарутина Н.В., Софте А.Э. Моделирование и анализ устойчивости мембранного биореактора // Успехи в химии и химической технологии: Тез. докл. XIX Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2005». - Москва: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005. - Т. XIX, № 1. - С. 82-84.

3. Tarutina N.V., Sokolov S.V., Sofiev A.E. Modeling and analysis of membrane bioreactor stability // Materials of the 16th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'2004. - Prague, 2004. - P. 1448.

if

4. Тарутина H.B., Глебова O.A., Скороходов A.B., Софиев А.Э. Моделирование мембранных биореакторов и исследование устойчивости // Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов XVI Международной научной конференции. - Санкт-Петербург, 2003. - С. 28.

5. Тарутина Н.В., Соколов C.B., Софиев А.Э. Моделирование и исследование устойчивости мембранных биореакторов // Биотехнология - состояние и перспективы развития: Тез. докл. 2-го Международного Конгресса. - Москва, 2003.-T. 1.-С. 290.

6. Тарутина Н.В., Сидоркин О.В., Гордиенко М.Г. Информационная система по выбору технологий очистки сточных вод от нефтемасляных загрязнений // Химическая промышленность сегодня. - 2006. - № 11. - С. 37-40.

7. Колесников C.B., Авраменко Ю.Г., Тарутина Н.В. База данных по оборудованию, схемам и патентам для очистки сточных вод «WAAM» // Роспатент, Федеральный институт промышленной собственности: Свидетельство об официальной регистрации базы данных № 2004620215.

8. Троянкин А.Ю., Ахачева О.С, Тарутина Н.В., Сидоркин О.В., Гордиенко М.Г. Информационная система по выбору технологий очистки стоков от нефтяных загрязнений // Успехи в химии и химической технологии: Тез. докл. XX Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2006». - Москва: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2006. - T. XX, № 1. - С. 42-47.

9. Троянкин А.Ю., Ахачева О.С., Тарутина Н.В., Сидоркин О.В., Гордиенко М.Г. Информационная система по выбору технологий очистки стоков от нефтяных загрязнений // Энциклопедия инженера-химика. - 2008. -№ 3. - С. 40-43.

10. Tarutina N. V., Ivanov S. V., Sofiev A.E. Intelligent system for stability of chemical equipment // Materials of the 19th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'2010. - Prague, 2010. - in print.

Заказ № 110-a/12/09 Подписано в печать 25.12.2009 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 " www.cfr.ru; e-mail: info@cfr.ru

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Типы реакторов.

1.1.1. Типы химических реакторов.

1.1.2. Типы биореакторов, их использование.

1.1.3. Особенности моделирования биореакторов.

1.2. Основные задачи исследования устойчивости химических и биологических процессов.

1.2.1. Исследование устойчивости по Ляпунову.

1.2.2. Бифуркационный анализ моделей непрерывных биохимических реакторов.

1.3. Пакеты программ для моделирования и автоматизированного проектирования.

1.4. Постановка задачи.

2. Моделирование процессов в реакторе с мембранным разделением и анализ устойчивости.

2.1. Технологическая схема реактора с мембранным разделением и анализ связей в ней.

2.2. Анализ устойчивости на основании первого метода Ляпунова.

2.2.1. Фазовые портреты и неподвижные точки.

2.2.2. Линеаризация нелинейных систем.

2.2.3. Классификация неподвижных точек на плоскости.

2.2.4. Бифуркация в нелинейных системах.

2.3. Модель синтеза лимонной кислоты в реакторе с мембранным разделением.

2.3.1. Уравнения математической модели.

2.3.2. Анализ процессов по модели.

2.3.3. Адекватность математической модели экспериментальным данным.

2.3.4. Исследование устойчивости реактора с мембранным разделением для синтеза лимонной кислоты.

2.4. Модель синтеза молочной кислоты в реакторе с мембранным разделением.

2.5. Системный анализ факторов, влияющих на устойчивость реакторов с мембранным разделением.

3. Информационно-аналитический программный комплекс для определения параметров устойчивой работы реактора с мембранным разделением.

3.1. Структура программы.

3.2. Блок «Кинетическая модель».

3.3. Блок «Модель фильтрации».

3.4. Блок «Начальные условия».

3.5. Блок «Эксперимент».

3.6. Блок «Периодический режим».

3.7. Блок «Непрерывный режим».

3.8. Блок «Устойчивость».

3.9. Основные возможности.

4. Исследование устойчивости реакторов с мембранным разделением на основе расчетов с использованием информационно-аналитического комплекса и экспериментальных данных.

4.1. Экспериментальные исследования.

4.1.1. Описание эксперимента по фильтрации на мембране.

4.1.2. Экспериментальные исследования процесса синтеза лимонной кислоты в реакторе с мембранным разделением.

4.1.3. Экспериментальные исследования процесса синтеза молочной кислоты в реакторе с мембранным разделением.

4.2. Результаты моделирования и исследования устойчивости работы реактора с мембранным разделением для синтеза лимонной кислоты.

4.2.1. Моделирование процесса при идеально работающей мембране.

4.2.2. Предельно засоренная мембрана.

4.2.3. Первый промежуточный случай.

4.2.4. Второй промежуточный случай.

4.2.5. Влияние селективности мембраны по субстрату на производительность.

4.2.6. Влияние селективности мембраны по продукту на производительность.

4.2.7. Влияние скорости протока на устойчивость.

4.2.8. Определение устойчивости и бифуркационные диаграммы.

4.2.9. Анализ производительности реактора с мембранным разделением

4.3. Результаты моделирования и исследования устойчивости работы реактора с мембранным разделением для синтеза молочной кислоты.

Быстрый рост потребительских способностей современного общества требует от промышленности внедрения новых высокоэффективных технологий и совершенствования старых. В XXI веке все шире используются понятия «белой», «зеленой» химии, что связано с безотходным, ресурсоэнергосберегающим производством, к совмещению химических и биологических процессов. Синтез химических соединений все больше переходит к биотехнологии, к биосинтезу. Углубление знаний в биотехнологии, молекулярной биологии благодаря современным аналитическим приборам позволяет расширять список синтезированных органических соединений. В связи с этим появляются вопросы о разработке новых технологических решений, нового оборудования. Одним из перспективных направлений развития инновационного оборудования для процессов химии, биотехнологии являются реакторы с мембранным разделением или, другими словами, технологические схемы «реактор -мембранный модуль».

Термин «реактор с мембранным разделением» появился около 20 лет назад и в настоящее время их использование растет. Реакторы с мембранным разделением (РМР) позволяют создавать ресурсоэнергосберегающие технологии за счет перехода от периодических к непрерывным процессам, увеличивать производительность по сравнению с периодически работающими реакторами с мембранным разделением. Основное их преимущество - это возможность отвода продуктов реакции, а следовательно, сдвиг равновесия протекания реакции в сторону синтеза новых продуктов бактериями.

Реакторы с мембранным разделением используются для различных целей и в различных отраслях: синтез органических соединений (химия, пищевая промышленность); получение клеточной массы (сельское хозяйство, биотопливо); очистка сточных вод; производство белков (фармацевтика).

Реакторы с мембранным разделением бывают со встроенными и вынесенными мембранными модулями. Как правило, они широко используются для очистки сточных вод, заменяя аэротенки. РМР с вынесенными мембранными модулями используются для синтеза известных органических соединений, для получения белка. В реакторах такой конструкции возникает цикл реактор-мембрана-реактор с целью возвращения клеточной массы, а это в свою очередь порождает проблему устойчивости, с которой ранее столкнулись ученые в химической технологии.

Первые работы по исследованию устойчивости в химии проводились, начиная с 40-х годов прошлого XX века. Наиболее известные ученые в этой области:

Семенов Н.Н. - работы по теории взрыва;

Сальников И.Е. - первые модели устойчивости;

Арис Р. и Амундсен Н.Р. - работы по устойчивости химических реакторов.

В 60-90 гг. к исследованию устойчивости стали применяться методы Ляпунова, активно используемые в Институте катализа (М.Г. Слинько, B.C. Бесков и другие), г. Новосибирск, и ЦНИИКа (Б.В. Вольтер, И.Е. Сальников, А.Э. Софиев).

В настоящее время исследование устойчивости для реактора с мембранным разделением является крайне актуальной задачей.

В данной работе осуществлена попытка выявления закономерностей устойчивой работы реактора с мембранным разделением, оценка параметров, влияющих на устойчивость на примерах синтеза широко используемых лимонной и молочной кислот. Лимонная кислота - является идеальным объектом для анализа устойчивости, т.к. это достаточно простой и типичный случай.

Лимонная кислота (JIK) является одной из важных органических кислот. Она используется в пищевой промышленности, в фармацевтической промышленности и для технических целей: как антивспениватель, при обработке текстиля, в производстве чистых металлов, как заменитель полифосфатов в детергентах, для поглощения S02. и т.д. Увеличение производства молочной кислоты является важной проблемой, так как именно эта кислота представляет собой основу для производства биодеградируемых полимеров, т.е. полимеров, способных разлагаться со временем. Создание таких полимеров поможет решить различные экологические, технические и медицинские задачи.

Растущая потребность в лимонной (400 тыс. тонн в год в мире) и молочной кислотах требует значительного увеличения их производства, поиска активных штаммов и разработки новых более эффективных способов. Одним из способов повышения эффективности производства данных кислот является переход от периодического способа к непрерывному и использование для этой цели реакторов с мембранным разделением. Исследование вопросов стабильности реакторов с мембранным разделением и воздействия стрессовых условий на микроорганизмы позволят качественным образом повысить выход продукта (лимонной и молочной кислот) в процессе культивирования.

Кроме того, в настоящей работе разрабатывался информационно-аналитический программный комплекс (ИАК) 1 для исследования устойчивости, поддержки принятия решения, оценки эффективности, качества и надежности этого оборудования. Использование реактора с мембранным разделением позволит перейти на полупериодический или непрерывный режимы, что повысит производительность, безопасность работы, качество продукта, управляемость и контроль производства. Однако вопросы устойчивости РМР для биосинтеза практически не исследованы. Поэтому представляются актуальным развитие подхода к анализу устойчивости на основании первого метода Ляпунова и разработка информационно-аналитического программного комплекса. При разработке ИАК были использованы современные принципы обработки и хранения информации, основанные на объектно-ориентированном принципе программирования.

Таким образом, выполненная работа является вкладом в решение общей задачи определения устойчивости технологических схем «реактор -мембранный модуль», а также разработки технолого-аппаратурного оформления производств лимонной и молочной кислот. Работа выполнялась в соответствии с ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы".

Первая глава диссертационной работы - литературный обзор -посвящена общим сведениям о химических реакторах и, в частности, реакторов для биологического синтеза и биологической очистки сточных вод, их использовании, математическом моделировании. Рассмотрено решение задач исследования устойчивости химических и биологических реакторов с использованием первого метода Ляпунова и бифуркационного анализа. Проведен обзор программных продуктов, актуальных для решения задач исследования и моделирования реактора с мембранным разделением.

Вторая глава связана с моделированием процессов синтеза лимонной и молочной кислот в реакторе с мембранным разделением с учетом скорости протока между реактором и мембранным модулем, стрессом микроорганизмов и других факторов, оказывающих влияние на анализ устойчивости. Приведено аналитическое решение уравнений модели синтеза лимонной кислоты для анализа устойчивости, используя первый метод Ляпунова.

В третьей главе рассмотрены основные функции и блоки информационно-аналитического программного комплекса, предназначенного для исследований по модели и анализа устойчивости, поддержки принятия решения, оценки эффективности, качества и надежности РМР.

В четвертой главе представлен анализ устойчивости реактора с мембранным разделением. Выявлены факторы, влияющие на устойчивость. Построены фазовые портреты. Определен коридор значений рабочих параметров, при которых производительность по продукту максимальна. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие правильность теоретических положений и возможность перехода на непрерывный режим. Проведено экономическое сравнение периодических процессов и непрерывных в реакторе с мембранным разделением, сделан вывод о ресурсо- и энергосбережении в реакторе с мембранным разделением.

Диссертационная работа иллюстрирована рисунками, графиками и таблицами, что удобно для прочтения и понимания.

Автор выражает глубокую благодарность руководителю диссертационной работы профессору А.Э. Софиеву, а также профессору JI.C. Гордееву, профессору Т.В. Мещеряковой, доценту Е.В. Гусевой за помощь и обсуждение работы.

1. Литературный обзор

1.1. Типы реакторов

Основные результаты и выводы

1. Впервые проведен анализ исследования устойчивости технологической схемы «реактор - мембранный модуль» с использованием первого метода Ляпунова.

2. Разработанный информационно-аналитический программный комплекс для определения устойчивости РМР позволяет распространить исследование на различные типы реакций, а также может использоваться в качестве системы поддержки принятия решения при проектировании, оценки эффективности, качества и надежности РМР как сложных систем.

3. Разработанный подход к созданию ИАК, основанный на объектно-ориентированном программировании, позволяет гибко использовать экспериментальные данные, справочную информацию и математическое описание и процедуры, такие как кинетическая модель, модель фильтрации, устойчивость и прочие, которые удобно варьировать, дополнять.

4. Исследование устойчивости позволило выявить параметры, изменение которых значимо влияет на процесс, и определить коридор параметров, в пределах которого достигается максимальный выход продукта. Было проанализировано влияние работы мембраны (селективности по биомассе, продукту, субстрату); скорости протока; для молочной кислоты - по скорости слива и стрессу микроорганизмов.

5. Теоретически и экспериментально подтверждена возможность перехода от периодического к непрерывному процессу синтеза лимонной и молочной кислот в реакторах с мембранным разделением.

6. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанного программного продукта, моделей и подхода к анализу устойчивости.

7. Информационно-аналитический программный комплекс внедрен в РХТУ им. Д.И. Менделеева для учебных целей и используется в Национальном политехническом Университете Лотарингии (г. Нанси, Франция) для научных исследований.

1. Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза / А.Ю. Винаров, JI.C. Гордеев, А. А. Кухаренко, В.И. Панфилов. М.: ДеЛи принт, 2005. - 278 с.

2. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Топологический принцип формализации. М.: Наука, 1979. -374 с.

3. Софиева Ю.Н., Софиев А.Э. Теория управления. М.: МГУИЭ, 2002. - 184 с.

4. Comparison of fluidized bed flow regimes for steam methane reforming in membrane reactors: A simulation study / A. Mahecha-Boteroa, Z. Chena, John R. Gracea et al. // Chemical Engineering Science. 2009. - Volume 64. -pp. 3598-3613.

5. A fundamental analysis of continuous flow bioreactor models and membrane reactor models to process industrial wastewaters / M.I. Nelson, E. Balakrishnan, H.S. Sidhu, X.D. Chend // Chemical Engineering Journal. 2008. -Volume 140. - pp. 521-528.

6. Heat transfer studies in an inorganic membrane reactor at pilot plant scale / M. Alonso, G. Patience, J. R. Fernandez et al. // J. Catalysis Today. 2006. -Volume 118. - pp. 32-38.

7. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: учебное пособие для вузов. — М.: Высшая школа, 1991. -400с.

8. Арис Р. Анализ процессов в химических реакторах. Л.: Химия, 1967. -328 с.

9. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев JI.C. Моделирование биохимических реакторов. М.: Лесная промышленность, 1979. - 344 с.

10. Optimal design and operation of methane steam reforming in a porous ceramic membrane reactor for hydrogen production / W. Yua, T. Ohmoria, T. Yamamotoa et al. // Chemical Engineering Science. 2007. - Volume 62. -pp. 5627-5631.

11. Mass transfer analysis of a membrane aerated reactor / S. Rishell, E. Casey, B. Glennon, G. Hamer // Biochemical Engineering Journal. 2004. - Volume 18. -pp. 159-167.

12. Смирнов H.H., Плесовских В.А. Биохимические реакторы: Учебное пособие для ВУЗов. СПб.: Химиздат, 1998. - 127 с.

13. Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В. Биотехнология: Кинетические основы микробиологических процессов: Учебное пособие для биол. и хим. спец. ВУЗов. М.: Высшая школа, 1990. - 296 с.

14. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. М.: Издательство МГУ, 1989.-293 с.

15. Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология. М.: Агропромиздат, 1990. - 334 с.

16. Быков В.А., Винаров А.Ю., Шерстобитов В.В. Расчет процессов микробиологических производств. Киев: Техника, 1985. - С. 58-101.

17. Бирюков В.В., Кантере В.М. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза. М.: Наука, 1985. — 293 с.

18. Ферментеры колонного типа для микробиологических процессов / Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. и др. М.: ОНТИТЭИМикробиопром, 1976.-48 с.

19. Аткинсон Б. Биохимические реакторы. М.: Пищ. промышленность, 1979.-280 с.

20. Hasar Н. Simultaneous removal of organic matter and nitrogen compounds by combining a membrane bioreactor and a membrane biofilm reactor // J. Bioresource Technology. 2009. - Volume 100. - pp. 2699-2705.

21. Continuous zeolite membrane reactor for esterification of ethanol and acetic acid / O. Iglesia, R. Mallada, M. Menendez, J. Coronas // Chemical Engineering Journal. 2007. - Volume 131. - pp. 35-39.

22. Vargas A., Moreno-Andrade I., Buitron G. Controlled backwashing in a membrane sequencing batch reactor used for toxic wastewater treatment // Journal of Membrane Science 2008. - Volume 320. - pp. 185-190.

23. Reactor performance and membrane filtration in aerobic granular sludge membrane bioreactor / J.H. Tay, P. Yang, W.Q. Zhuang et al. // Journal of Membrane Science. 2007. - Volume 304. - pp. 24-32.

24. Study of the influence of the hydrodynamic parameters on the performance of an enzymatic membrane reactor / T. Gum, J. Fernandez-Delgado Albacete, D. Paolucci-Jeanjean et al. // Journal of Membrane Science. 2008. - Volume 311. -pp. 147-152.

25. Synthesis of polyaluminum chloride with a membrane reactor: parameters optimization for the in situ synthesis / F. He, Z. Jia, P. Wang, Z. Liu // Journal of Membrane Science. 2005. - Volume 247. - pp. 221-226.

26. Choo K.-H., Tao R., Kim M.-J. Use of a photocatalytic membrane reactor for the removal of natural organic matter in water: Effect of photo induced desorption and ferrihydrite adsorption // Journal of Membrane Science. 2008. - Volume 322. - pp. 368-374.

27. Laitinen N., Luonsi A., Vilen J. Landfill leachate treatment with sequencing batch reactor and membrane bioreactor // Journal Desalination. 2006. -Volume 191. - pp. 86-91.

28. Progress in enzymatic membrane reactors a review / G.M. Rios, M.P. Belleville, D. Paolucci, J. Sanchez // Journal of Membrane Science. - 2004. -Volume 242. - pp. 189-196.

29. Мембраны: Применение и моделирование: Мультимедийный курс / Н.В. Меньшутина, Е.В. Гусева, Е.О. Лебедев, Д.В. Шишулин // Мембраны. Серия Критические технологии. 2001. - №10. - С. 18-24.

30. A membrane coupled to a sequencing batch reactor for water reuse and removal of coliform bacteria / B. Arrojo, A. Mosquera-Corra, J.M. Garrid et al. // J. Desalination. 2005. - Volume 179. - pp. 109-116.

31. Saddoud A., Sayadi S. Application of acidogenic fixed-bed reactor prior to anaerobic membrane bioreactor for sustainable slaughterhouse wastewater treatment // Journal of Hazardous Materials. 2007. - Volume 149. - pp. 700-706.

32. Xiao-Yan L., Xiao-Mao W. Modelling of membrane fouling in a submerged membrane bioreactor // Journal of Membrane Science. 2006. - Volume 278. -pp. 151-161.

33. Скороходов A.B. Моделирование процессов ферментации в мембранных биореакторах: Дис. канд. техн. наук / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М., 2002. - 148 с.

34. Schneider G., Voit Н., Wenzig Е. Selection and Design of Aerobic Bioreactors // J. Chem. Eng. Technol. 1990. - Volume 13. - pp. 357-370.

35. Regan L., Bogle I.D.L., Dunnill P. Simulation and optimization of metabolic pathways // Journal Comput. Chem. Engng. 1993. - Volume 17. - pp. 627-637.

36. Operational conditions of a membrane filtration reactor coupled with photocatalytic oxidation / X. Huang, Y. Meng, P. Liang, Y. Qian // J. Separation and Purification Technology. 2007. - Volume 55. - pp. 165-172.

37. Enzymatic membrane reactor for the kinetic resolution of racemic ibuprofen ester: modeling and experimental studies / S. Bhatia, W.S. Long, A.H. Kamaruddin // Chemical Engineering Science. 2004. - Volume 59. - pp. 5061-5068.

38. Influence of the operating conditions on yield and selectivity for the partial oxidation of ethane in a catalytic membrane reactor / K. Georgieva, I. Mednev, D. Handtke, J. Schmidt // J. Catalysis Today. 2005. - Volume 104. - pp. 168-176.

39. Theoretical and experimental investigation of concentration and contact time effects in membrane reactors / Т.О. Та, С. Hamel, S. Thomas et al. // Chemical Engineering Research and Design. 2004. - Volume 82(A2). - pp. 236-244.

40. Hoang D.L., Chan S.H., Ding O.L. Kinetic modelling of partial oxidation of methane in an oxygen permeable membrane reactor // Chemical Engineering Research and Design. 2005. - Volume 83(A2). - pp. 177-186

41. Лапшенков Г.И., Зиновкина T.B., Харитонова Л.Ю. Выбор режима культивирования аэробных микроорганизмов с учетом степени устойчивости процесса // Биотехнология. 2002. - № 6. — С. 70-76.

42. Гапонов К.П. Процессы и аппараты микробиологических производств. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. С. 23-40.

43. Brendel М., Bonvin D., Marquardt W. Incremental identification of kinetic models for homogeneous reaction systems // Chemical Engineering Science.- 2006. Volume 61. - pp. 5404-5420.

44. Marquardt W. Model-based experimental analysis of kinetic phenomena in multi-phase reactive systems // Chemical Engineering Research and Design.- 2005. Volume 83(A6). - pp. 561-573.

45. Нижегородова T.A. Исследование процессов микробиологического синтеза в условиях теплового шока (на примере получения L-глутаминовой кислоты) : Дис. канд. техн. наук // РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: РХТУ, 2007. - 148 с.

46. Перлмуттер Д. Устойчивость химических реакторов. Л.: Химия, 1976. -256 с.

47. Вольтер Б.В., Сальников И.Е. Устойчивость режимов работы химических реакторов. М.: Химия, 2-е издание, 1982. - 200 с.

48. Chiappetta G., Clarizia G., Drioli E. Analysis of safety aspects in a membrane reactor // J. Desalination. 2006. - Volume 193. - pp. 267-279.

49. Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990. - 127 с.

50. Стюарт И. Тайны катастрофы. М.: Мир, 1987. - 78 с.

51. Bioreactor control and modeling: A simulation program based on a structured population model of budding yeast / L. Cazzador, L. Alberghina, E. Kiartegani, L. Mariani // Bioreactors and Biotransformations. London.: Elsevier, 1987. - pp. 64-75.

52. Eakman J.M., Fredrickson A.G., Tsuchiya H.H. Statistics and dynamics of microbial cell populations // Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 1966. - Volume 62. -pp. 37-49.

53. Srienc F., Dien B.S. Kinetics of the cell cycle of Saccharomyces cereuisiae // Anzi. Liz. Y. Acad. Sci. 1992. - pp. 59-71.

54. Bellgardt K.-H. Analysis of synchronous growth of baker's yeast. Part I: Development of a theoretical model for sustained oscillations // J. Biotechnology. 1994. - Volume 35. - pp. 19-33.

55. Duboc P., Stockar U. Modeling of oscillating cultivations of Saccharomyces cerevisiae: Identification of population structure and expansion kinetics based on on-line measurements // Chem. Eng. Sci. 2000. - Vol. 5. - pp. 149-160.

56. Hjortso M.A., Nielsen J. A conceptual model of autonomous oscillations in microbial cultures // Chem. Eng. Sci. 1994. - Volume 49. - pp. 1063-1095.

57. Ramkrishna D., Kompala D.S., Tsao G.T. Are microbes optimal strategists? // Biotechnol. Prog. 1987. - Volume 3. - pp. 121-126.

58. Cazzador L. Analysis of oscillations in yeast continuous cultures by a new simplified model // Bull. Math. Biol. 1991. - Volume 53. - pp. 665-700.

59. Jones. K. D., Kompala, D. S. Cybernetic modeling of the growth dynamics of

60. Saccharomyces cereuisiae in batch and continuous cultures // J. Biotechnol. -1999.-Volume 71.-pp. 105-131.

61. Effects of relaxation and backwashing conditions on fouling in membrane bioreactor / J. Wua, P. Le-Clech, R.M. Stuetz et al. /Л Journal of Membrane Science. 2008. - Volume 324. - pp. 26-32.

62. Zhang F., Mangold M., Kienle A. Stationary spatially periodic and aperiodic solutions in membrane reactors // Chemical Engineering Science. 2006. -Volume 61.-pp. 7161-7170.

63. Le-Clech P., Chen V., Tony A.G. Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment // Journal of Membrane Science. 2006. - Volume 284, Issues 1-2.-pp. 17-53.

64. Membrane pilot reactor applied to selective oxidation reactions / Alonso M., Lorences M.J., Patience S.G. et al. // Catalysis Today. 2006. - Volume 104, Issues 2-4. - pp. 177-184.

65. Mangold M., Ginkel M., Gilles E.D. A model library for membrane reactors implemented in the process modelling tool ProMoT // Computers and Chemical Engineering. 2004. - Volume 28. - pp. 319-332.

66. Marquardt W., Monnigmann M. Constructive nonlinear dynamics in process systems engineering // J. Comput. Chem. Eng. 2005. - Volume 29. -pp. 1265-1275.

67. Monnigmann M. Constructive nonlinear dynamics methods for the design of chemical engineering processes / Ph.D. Thesis. RWTH Aachen University, 2003.

68. The dynamic behavior of aerated continuous flow stirred tank bioreactor / I.O. Pinheiro, M.B. De Souza, Jr. C.E. Lopes // Mathematical and Computer Modelling. 2004. - Volume 39, Issues 4-5. - Pages 541-566.

69. Pavlou S. Computing operating diagrams of bioreactors // Journal of Biotechnology. 1999. - Volume 71, Issues 1-3. - pp. 7-16.

70. Doedel E., Wang X., Fairgrieve T. AUTO: Software for continuation and bifurcation problems in ordinal differential equations // Technical report. -California Institute of Technology. 1986.

71. Interactive local bifurcation analyzer / Khibnik A.I., Kuznetsov Y.A., Levitin V.V., Nikolaev E.V. Pushchino: Research Computing Centre, Acad. Sci. USSR, 1992.

72. Kuznetsov Y. A., Levitin V. V. CONTENT: A Multiplatform Environment for Continuations and Bifurcation Analysis of Dynamical Systems. Amsterdam, Netherlands: Centrum voor Wiskunde en lnformatica, 1997.

73. Ajbar A. On the existence of oscillatory behavior in unstructured model of bioreactors // Chem. Eng. Sci. 2001. - Volume 56. - pp. 1991-1997.

74. Lyberatos G., Kuszta G., Bailey J.E. Bifurcation from the potential field analogue of some chemical reaction systems // Chem. Eng. Sci. 1985.- Volume 40. pp. 1679-1687.

75. Pavlou S., Kevrekjdis I.G. Microbial predation in a periodically operated chemostat: A global study of the interaction between natural and externally imposed frequencies // Math. Biosci. 1992. - Volume 108. - pp. 1-55.

76. Cell population models for bifurcation analysis and nonlinear control of continuous yeast bioreactors / Y. Zhang, G.-Y. Zhu, A.M. Zamamiri et al. // Journal of Process Control. 2002. - Volume 12. - pp. 721-734.

77. Ajbar A., Alhumazi K. Microbial competition: Study of global branching phenomena // Chem. Eng. J. 2000. - Volume 46. - pp. 321-334.

78. Ajbar A., Ibrahim G. Stability and bifurcation of an unstructured model of bioreactor with cell recycle // Math. Comput. Modeling. 1997. - Volume 25. -pp. 9-30.

79. Lenas P., Pavlou S. Chaotic response of a periodically forced system of two competing microbial species // Chaotic Dynamics: Theory and Practice.- New York: Plenum Press, 1992. pp. 253-295.

80. Pavlou S., Kevrekidis I.G., Lyberatos G. On the coexistence of competing microbial species in a chemostat under cycling // Biotechnol. Bioeng. 1990.- Volume 35. pp. 224-232.

81. Kuznetsov Y.A. Elements of Applied Bifurcation Theory. Second Edition. -Springer-Verlag: New York, 1998. 591 p.

82. Lenbury Y., Sukprasong В., Novaprateep B. Bifurcation and chaos in a membrane permeability sensitive model for a continuous bioreactor // Mathematical and Computer Modelling. 1996. - Volume 24, Issue 9. -pp. 37-48.

83. Integrated design and control for robust performance: Application to an MSMPR crystallizer / R. Grosch, M. Monnigmann, W. Marquardt // Journal of Process Control. 2008. - Volume 18. - pp. 173-188.

84. Baltzis B.C., Fredrickson A.G. Limitation of growth rate by two complementary nutrients: Some elementary but neglected considerations // Biotechnol. Bioeng. 1988. - Volume 31. - pp. 75-86.

85. Zeike H.R., Zeike C.L., Ozand P.T. Glutamine: A major energy source for cultured mammalian cells // Fed. Proc. 1984. - pp. 121-125.

86. Extractive fermentation by Zymomonas mobilis and the control of oscillatory behavior / L.J. Bruce, D.B. Axford, B. Ciszelc, A.J. Daubis // Biotechnol. Lett.- 1991. Volume 128. - pp. 291-296.

87. Beavan M.J., Charpentier C., Rose A.H. Production and tolerance of ethanol in relation to phospholipid fatty-acyl composition in Saccharomyces cerevisiae NCYC 431 // Journal of General Microbiology. 1982. - Volume 128. -pp. 1447-1455.

88. Daubis A.J., McLellan P.J., Li J. Experimental investigation and modeling of oscillatory behavior in the continuous culture of Zymomonas mobilis // Biotechnol. Bioeng. 1997. - Volume 56. - pp. 99-105.

89. McLellan P.J., Daugulis A.J., Li J. The incidence of oscillatory behavior in the continuous fermentation of Zymomonas mobilis // Biotechnol. Prog. 1999.- Volume 15. pp. 667-680.

90. Jones K.D., Kompala D.S. Cybernetic modeling of spontaneous oscillations in continuous culture of Saccliaromyces cereuisiae / AIChE Annual Mtg. -Miami, FL, 1995.

91. Strassle C., Sonleitner В., Fiechter A. A predictive model for the spontaneous synchronization of Saccharomyces cereuisiae grown in continuous culture. II.

92. Experimental verification // J. Biotechnol. 1989. - Volume 9. -pp. 191-208.

93. Model predictive control of continuous yeast bioreactors using cell population models / G.-Y. Zhu, A.M. Zamamiri, M.A. Henson, M.A. Hjortso // Chem. Eng. Sci. 2000. - Volume 55. - pp. 6155-6167.

94. Munch Т., Sonnleitner В.; Fiechter A. New insights into the synchronization mechanism with forced synchronous cultures of Saccharomyces cereuisiae // Journal Biotechnol. 1992. - Volume 24. - pp. 299-313.

95. Induction and elimination of oscillations in continuous cultures of Saccharomyces cereuisioe / S.J. Parulekar, G.B. Semones, M.J. Rolf et al. // Biotechnol. Bioeng. 1986. - Volume 28. - pp. 700-710.

96. Анализ, хранение и обработка информации в химической технологии / Под ред. Меньшутиной Н.В. Калуга: Издательство научной литературы Н. Бочкаревой, 2003. - 282 с.

97. Бессарабов А. М. Синтез оптимальных химико-технологических систем получения особо чистых оксидных материалов: Дис. д-ра техн. наук. -М., 1991.-248 с.

98. Дорохов И.Н., Меньшиков В.В. Интеллектуальные системы и инженерное творчество в задачах интенсификации химико-технологических процессов и производств. Серия «Системный анализ процессов химической технологии». М.: Наука, 2005. - 485 с.

99. Langrish T.A.J. Flowsheet simulations and the use of CFD simulations in drying technology // Proceedings of the 10th International Drying Symposium. -1996. Volume A. - pp. 40-51.

100. Bausa J., Dtinnebier G. Life Cycle Modelling in the chemical industries: Is there any reuse of models in automation and control? // Computer Aided Chemical Engineering. 2006. - Volume 21, Part 1. - pp. 3-8.

101. Schneider R., Marquardt W. Information technology support in the chemical process design life cycle // Chemical Engineering Science., 2002. - Volume 57. -pp. 1763-1792.

102. A field study of the industrial modeling process / B.A. Foss, B. Lohmann, W. Marquardt // Journal of Process Control. 1998. - Volume 8, Issues 5-6. -pp. 325-338.

103. Batres R., Aoyama A., Naka Y. A life-cycle approach for model reuse and exchange // Computers and Chemical Engineering. 2002. - Volume 26. -pp. 487-498.

104. Cameron Ian T. Modelling across the process life cycle: A risk management perspective // Computer Aided Chemical Engineering. 2005. - Volume 20, Part 1. - pp. 3-19.

105. Ambient Intelligence in Product Life-cycle Management / G. Kovacs, S. Kopacsi, G. Haidegger et al. // Engineering Applications of Artificial Intelligence. 2006. - Volume 19, Issue 8. - pp. 953-965.

106. Aurich J.C., Fuchs C., De Vries M.F. An Approach to Life Cycle Oriented Technical Service Design // CIRP Annals Manufacturing Technology. - 2004. -Volume 53, Issue l.-pp. 151-154.

107. Mittal G.S. Computerized control systems in the food industry. New York: Marcel Dekker, 1997. - 512 p.

108. Loeve W. Life-cycle-oriented method for development and production of large-scale industrial mathematics software // Computers in Industry. 1992. -Volume 18, Issue l.-pp. 11-24.

109. Филиппов В.И., Пржиялковский B.B., Шкотин A.B. Инструментальные средства информационного моделирования // Управляющие системы и машины. 1991. -№7. -7 с.

110. Lien К., Perris Т. Future directions for CAPE research perceptions of industrial needs and opportunities // Computers & Chemical Engineering. 1996. -Volume 20, Supplement 2. - pp. SI 551-SI 557.

111. Базы данных. Интеллектуальная обработка информации / Корнеев В.В., Гарев А.Ф., Васютин С.В., Райх В.В. М.: Нолидж, 2000. - 351 с.

112. Dandoroff R., Riley S. New generation DryspecT. New Zealand Forest Research Institute, 2000. - 1 p.

113. Stephanopoulos G., Han C. Intelligent systems in process engineering: a review // Computers & Chemical Engineering. 1996. - Volume 20, Issues 6-7. -pp. 743-791.

114. Информационно-справочный интернет-ресурс MODEL.LA. Режим доступа: http://web.mit.edu/modella/faq.html.

115. Silva H.G., Salcedo R.L.R. Modeling and Optimization of Chemical Processes: ASCEND IV and Stochastic Optimizers // Proceeding of Modelling and Simulation / Editor: R. Wamkeue. Montreal, QC, Canada, 2006.

116. Andersson M. Omola An Object-Oriented Language for Model Representation // Proceedings of IEEE Control Systems Society Workshop on Computer-Aided Control System Design (CACSD). - Tampa, Florida, 1989.

117. Andersson M. OmSim and Omola Tutorial and User's Manual. Version 3.4. -Department of Automatic Control, Lund Institute of Technology. 1995. - 45 p.

118. Tu H., Rinard I.H. A hierarchical dynamic modeling and simulation system of complex processes // Computers and Chemical Engineering. 2006. - Volume 30. -pp. 1324-1345.

119. Woods A.E. The hybrid phenomena theory. Proceedings of the 12th international joint conference on Artificial intelligence. Sydney, New South Wales, Australia Pages. 1991. -Volume 2. -pp. 1138-1143.

120. Интернет-ресурс FLUENT. Режим доступа: http://www.fluent.com/.

121. Robinson J.W. Delta T dryer moisture control system completes ten years // Panel World. 1997, No. 5. - 5 p.

122. Nevenkin S.L., Chavdarov O.I. Expert system for synthesis of structures of drying installations for dispersive materials // Drying'92. Elsevier Science Publ.: 1992, Amsterdam. - pp. 1745-1751.

123. Olsen R.L. Computer applications: expert systems // Dairy Science and Technology Handbook. VCH Publishers Inc.: 1993, No. 4. - pp. 106-153.

124. Ionescu D., Trif I. A hierarchical expert system for computer process control // Engineering Applications of Artificial Intelligence. 1988. - Volume 1, Issue 4. - pp. 286-302.

125. Chen M., Linlcens D.A. Expert control systems I. Concepts, characteristics and issues // Engineering Applications of Artificial Intelligence. - 1995. - Volume 8, Issue 4.-pp. 413-421.

126. Paladini E. P. An expert system approach to quality control // Expert Systems with Applications. 2000. - Volume 18, Issue 2. - pp. 133-151.

127. Информационный интернет-ресурс компании Aspen Technology Inc. Режим доступа: www.aspentech.ru.

128. Нелинейная динамика и термодинамика необратимых процессов в химии и химической технологии / Кольцова Э.М., Третьяков Ю.Д., Гордеев JI.C., Вертегел А.А. -М.: Химия, 2001. 408 с.

129. Соколов С.В., Тарутина Н.В., Софиев А.Э. Моделирование и исследование устойчивости мембранных биореакторов // Материалы 2-ого Международного Конгресса «Биотехнология состояние и перспективы развития», Москва, Россия. - 2003. - Т. 1. - С. 290.