автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья

На правах.рукописи

Солонинов Денис Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАХАРИВАНИЯ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

05 13 18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОО3172165

Ставрополь - 2008

003172165

Работа выполнена в Северо-Кавказском государе теином техническом университете на кафедре «Информационные системы и технологии»

Научный руководитель- кандидат физико-математических наук, доцент

Мезенцева Оксана Станиславовна Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Рижских Виктор Иванович доктор физико-математических наук, профессор Голпасв Владимир Александрович Ведущая организация Краснодарский государственный технологический университет, г Краснодар

Защита состоится «1» июля 2008г в 1300 часов на заседании диссер гационного совета Д 212 245 09 при Северо-Кавказском государственном техническом университете по адресу 355028 г Ставрополь, пр Кулакова, 2, аудитория 305

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СевероКавказский государственный технический университет» по адресу 355028, г Ставрополь, пр Кулакова, д 2, с авторефератом - на итернет-сайте www ncstu ru

Автореферат разослан «30» мая 2008г

Ученый секретарь диссертационного совета

к ф -м н , доцент

О С Мезенцева

Общая характеристика работы

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 крахмал содержащего 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.

Объекте:.1! ду.есертян"""""» паботы являются биохимические процессы, протекающие при осахаривании крахмалсодержащего сырья Предметом исследований являются м<пематичсские 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

1 Провести анализ существующих методологических подходов, методов и моделей массообменных процессов осахаривания

2 Разработать математическую модель процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, комплексно учитывающую все компоненты, участвующие в процессе

3 С помощью инструментальных средств на основе данных натурного эксперимента определить кинетические коэффициенты модели

4 Разработать автоматизированную экспериментальную установку контроля степени осахаривания крахмалсодержащего сырья

5 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 н 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

2 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

3 Разработана автоматизированная экспериментальная установка для проведения исследований зависимости между количеством потребляемой двигателем энергии и степенью осахаривания крахмалсодержащего сырья

4 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

«Инфокоммуииационные технологии в науке, производстве и образования» (Кисловодск, 2008 г), VIIÍ Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи-Адлер, 2007г), VII Международной научно-практической 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

1 Математическая модель процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, описывающая кинетику изменения основных параметров процесса с учетом белкового компонента

2 Результаты вычислительного эксперимента по мониторингу и оптимизации процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья

3 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 журналах 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 oí 20 12 2007г), ООО «Новоалександровский спирто-дрожжевой комбинат» (акт о внедрении от 4 03 2008г)

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность исследований по разработке математической модели процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, сформулирована цель работы, изложены основные результаты проведенных исследований, показана их научная новизна, практическая значимость, указаны основные положения, выносимые на защиту

В первой главе выполнен анализ опубликованных математических моделей массообменных процессов, к которым относится процесс

осахаривания крахмалсодержащего сырья, приведена их классификация

Как показал анализ, работы по созданию математических моделей массообменных процессов осахаривания ведутся в основном в двух направлениях создание экспериментально-статистических моделей с применением методов активного и пассивного экспериментов, а также работы по уточнению кинетических уравнений динамики развития клеточной популяции на микро и макроуровнях.

Однако, вопросы комплексного исследования условий,

способствующих наиболее полному расщеплению крахмала до сбраживаемых Сахаров и процесса брожения, в литературе почтя не освещены

Наиболее эффективным представляется подход, предложенный профессором С В Востриковым На основе балансовых соотношений им получена система дифференциальных уравнений, описывающих кинетику изменения основных параметров биосинтеза Уравнения модели решены численно на основе схемы Эйлера Также им получены зависимости кинетических коэффициентов, на основе разработанного программного комплекса, от определяющих технологических параметров процесса периодического брожения рН, температуры, концентрации засевных дрожжей

В то же время, существенно повысить качество разработанной проф Востриковым модели позволит учет влияния белкового компонента, оказывающего значительное влияние на эффективность процесса осахаривания, а, следовательно, на увеличение выхода спирта и уменьшение количества ферментов

Несмотря на то, что доля белкового компонента значительно меньше по сравнению с долей крахмала, учитывать ее во время моделирования процесса осахаривания необходимо, поскольку во время процесса осахаривания белки оказывают влияние на вязкость массы, и, подвергаясь воздействию ферментов, также переходят в растворимую форму Учет белкового компонента позволит более полно контролировать процесс осахаривания с целью увеличения выхода спирта и уменьшения количества отходов

Задачей дачного диссертационного исследования является разработка математической модели процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья с учетом белкового компонента

С целью построения обобщающей физической модели процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, во второй главе дано краткое описание биохимических основ данного процесса, особенностей его протекания, которые часто определяются используемым сырьем

Целью ферментативного гидролиза крахмала в спиртовом производстве является получение сусла Разваренную массу крахмалосодержащего сырья осахаривают ферментами солода или культур плесневых грибов Ферментативный гидролиз заключается в разрыве глкжозидных связей амилозы и амилопектина и присоединении по месту

разрыва молекулы воды Молекулы активируются при повышении температуры Однако в отсутствие катализаторов этот путь малоэффективен Поэтому применяют комплекс ферментов обеспечивающих

деструктуризацию крахмала При проведении эксперимента использовались следующие ферменты а— амилаза, Р — амилаоа, у — глюкоамилаза, тг — протеаза

Ферментативный гидролиз под действием а-амилазы можно представить в виде схемы

а-аттаза

Крахмал или гликоген сс-декстрины + мальтоза + глюкоза

(много) (мало) (мало)

(З-Амилаза — химическое название а-1,4-глюкан-мальтогидролаза Теоретически при действии Р-амилазы на амилазу можно получить 100% мальтозы, при действии на амилопектин — 60% мальтозы Остаток состоит из остаточных (предельных) декстринов, на которые не действует фермент (1-Амилаза практически не гидролизует нативный крахмал, тогда как клейстеризованный крахмал гидролизуется ею с образованием мальтозы ¡З-Амилаза отделяет фрагмент с нередуцирующего конца от внешних линейных ветвей, имеющих по 20-26 глюкозных остатков, с образованием 10-12 молекул мальтозы Гидролиз приостанавливается на предпоследней а-1,4-связи, граничащей со связью а-1,6 Действие Р-амилазы на крахмал в целом можно записать в виде следующей схемы /З-амилаза

Крахмал или гликоген мальтоза + декстрин

54-и% 41-46%

Глюкоамилаза - химическое название а-1,4-глюкан-глюкогидролаза Глюкоамилаза гидролизует а-1,4-связи глкжана в полисахаридах, отщепляя последовательно, с нередуцирующего конца, молекулу глюкозы Мальтоза, амилоза и амилопектин почти полностью превращаются ферментом в глюкозу а-1,6 и 1,3-связи также гидролизуются глюкоамилазой, с превращением олигосахаридов в глюкозу, но с меньшей скоростью

В общем виде схему гидролиза углеводов глюкоамилазой можно представить следующим образом.

Глюкоамилаза типа Rh. dflcmar

Крахмал или олпгосахарид с <х-1,4-рлч «-1,6-связыо

100% глюкозы

80-85% + олнгоглюкозы

Глюкоамилаза типа . „ сахарнды

Asp niger в закрытой "

систеие

различного

П-фермент — протеаза — обеспечивает деструкцию белкового комплекса до пептидов и аминокислот.

Рисунок 1 — Физическая модель процесса деструкции крахмала у- глюкоамилаза, р — (3-амилаза, ос- ое-амилаза, л: — протеаза, Г — глюкоза, М - мальтоза, О - декстрины, А - аминокислоты и пептиды

Обобщенно процесс осахаривания можно представить следующим образом сырье подвергается тепловой обработке, в результате которой освобождается крахмал Остальную часть составляют белки, жиры, клетчатка Крахмал подвергается воздействию комплекса ферментов крахмал под действием а-амилазы, (3-амилазы и у-глюкоамилазы расщепляется на мальтозу и декстрины, декстрины в свою очередь также подвергаются дальнейшему расщеплению при помощи у - глюкоамилазы Белковая составляющая подвергается расщеплению при помощи я -протеазы

Анализ биохимических превращений в процессе осахаривания крахмалсодержащего сырья позволил построить физическую модель данного процесса (рис 1)

Учет всех приведенных выше компонентов позволил создать качественно новую математическую модель процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья, которая позволит осуществлять мониторинг процесса деструкции

Третья глава посвящена разработке математической модели процесса осахаривания Крахмал содержащего сырья, которая проводилась по следующей методологии

выбор для изучаемого процесса такой области, в которой переменные изменяются немного в пределах области, определение границ данной области;

идентификация транспортных потоков, которые текут поперек границы системы;

описание массового баланса в словесной форме и в виде математических выражений,

дополнение уравнений математического описания процесса дополнительными зависимостями для некоторых параметров

од) е

о

люкозаг

(ВД) 1крахмаяк^ ^

ЬерментК^

Мальтоза Г«

^—{декстрины у"^)

____I АК и П I ГАМ

Рисунок 2 - Основные компоненты, участвующие в процессе осахаривания G(t), К(т), Ф(т), М(т), D(t), Р(т), А(т) [г/см3], т - текущее время

Рассмотрим фрагмент объема сусла Молекулы крахмала К(т) находятся в виде молекул в растворе воды и с помощью ферментов Ф(т) /^структурируются на декстрины D(t), мальтозу М(т) и глюкозу G(t) Молекулы белка Р(т) под действием протеолитических ферментов деструктурируготся на простые белки, пептиды и аминокислоты А(т) (рис 2) Если принять, что шх-масса продуктов, полученных в процессе деструкции, ту — масса активного фермента (активность ферментов), mv -количество компонентов среды, подлежащих гидролизу; mz — масса «фермент-субстратный комплекс», то схему транспортных потоков в системе можно представить рис. 3.

Материальный баланс в изучаемой системе может представить Накопление вещества = Приток вещества - Сток вещества Для моментов времени т и x+dt материальный баланс веществ может быть записан в виде

mx(t+dt)=mx(T)+k 1 nu(-t) dr, (1)

mz(T+dT)=mz(T)-kl mzl т) dt, (2)

ту("с+с1т)=гт(т)+к2 ту(х) 1±с, ту(т+с!т)=ту(т)-к2 ту(т) с)т где к! и к2 - кинетические коэффициенты

(3)

(4)

Рисунок 3 - Схема массообменных процессов в системе

Согласно закону сохранения масс уравнение связи таково тх(т)+тг(т)+ту(т)+ту(т)=сопз1 (5)

Из (1) следует

<1тх(т)/с1т=к1 тг(т) (6)

Величина материального потока из субстанции «г» в субстанцию «х» пропорциональна массе активного фермента, т е к1~ту(т) или к1-к1*ту(т) В этом случае (6) примет вид

с1тх(т)/с1т=к1 * гпу(т) шг(т) (7)

Так как шу(т)»гпх(т), шу(т), тг(т), то из (5) очевидным образом следует, что с уменьшением шу(т)+шг(т), шх(т) должно возрастать, т е предположим, что- к1*~1/[ту(т)+тг(т)]

Общий вид кинетического уравнения деструктуризации с1тх(т)/1к=к1* ту(т) шг:(т)/[ту(т)+шг(х)], (8)

где к1*=сопз1- кинетический коэффициент

Данное уравнение в рассматриваемом случае является общим для всех ферментативных реакций, происходящих во время осахаривания крахмалсодержащего сырья Применив данное уравнение к каждому ферментативному процессу на разных стадиях осахаривания можно получить уравнения (9)-(12)

Очевидно, что масса сбраживаемых углеводов в виде мальтозы и глюкозы, образовавшихся из крахмала, также подчиняется смешанной кинетике

тх~ту тг/(ту+тг), где тх - масса образовавшихся сбраживаемых углеводов в виде суммы глюкоза + мальтоза, ту - масса активного фермента, шг — масса «фермент-субстратного комплекса»

В соответствие с этой посылкой исследуем процессы, протекающие во время деструкции крахмалсодержащего сырья

Предположим, что приращение глюкозы с течением времени происходит за счет деструкции крахмалсодержащего сырья, следовательно исходным сырьем z является крахмал шК(т) Действующим ферментом у является а-амилаза шФц(т) Продуктом реакции является глюкоза mG(T) Следовательно

dmG(T)={T|g гаФа(т) тК(т)/[тФа(т)+тК(т)]} dt (9)

Аналогично предположим, что приращение мальтозы с течением времени происходит за счет деструкции крахмалсодержащего сырья, следовательно исходным сырьем z является крахмал mK(t) Действующим ферментом у является фермент Р-амилаза тФр(т) Предметом реакции является мальтоза тМ(т) Соответственно

dmM(t)={riM шФр(т) тК(г)/[шФр(т)+тК(т)]}dt (10)

Следующее уравнение также получается из (7) Предположим, что приращение декстринов с течением времени происходит за счет деструкции крахмалсодержащего сырья, следовательно исходным сырьем z является крахмал тК(т) Действующим ферментом у является фермент у-глюкоамялаза тФу(т) Предметом реакции являются декстрины dmD(x) Поэтому

dmD(T)={TiD тФу(т) тК(т)/[тФ/г)+тК(т)]}<1г. (11)

Уравнение, описывающее процесс образования белков, также получаем из (8) Предположим, что приращение белков с течением времени происходит за счет деструкции крахмалсодержащего сырья Однако белки в производстве являются балластом, который также подвергается разжижению, поэтому исходным сырьем является не масса крахмалсодержащего сырья, а масса белка, известная изначально Таким образом, сырьем z является белок тР(т) Действующим ферментом у является фермент л — протеаза тф„(т) Предметом реакции является белок

ётА(т)={ть, тФ,(т) тР(т)/[тФя (т)+тР(т)]}dt, (12)

где шФа(т), шФр(т), тФ-Дт), тФ„(т) - текущие массы активности а, Р, у, ж -ферментов, г, mG(i), тМ(т), mD(t), тА(т) - текущие массы глюкозы, мальтозы, декстринов, и аминокислот с пептидами (белковый компонент), г, ria, Пм, Г|а - кинетические коэффициенты, тК(т) - текущая масса сырья, г

Тк процесс происходит в фиксированном объеме V (V - объем аппарата), то, разделив обе части каждого из уравнений (9)—( 12) на V,

' dG(T)={^0 Фа(т) К(т)/[Фа(т)+К(т)]}dt, (13)

dM(x)={î|M Фр(т) K(T)/[®D(T)+K(T)])di, (14)

dD(x)={rid Ф/т)-К(т)/[Фу(т)+К(т)]^т, (15)

dA(t)={ri, Ф„(т) P(T)/[®n(t)+P(T)]}dr, (16)

где G(x), М(т), D(t), А(т) - текущие массовые' концентрации соответственно глюкозы, мальтозы, декстринов и аминокислот с пептидами, г/см3, Ф«(т), Фр(т), Фу(т), Ф„(т) - текущие массовые концентрации «активных» а, р, у и л -ферментов, г/см3, К(т) — массовая концентрация «крахмала», г/см3, Р(т) - массовая концентрация белка, г/см3

Очевидно, что в любой момент времени должны выполняться соотношения в силу сохранения массы

K(TbK(T+dT)=d[G(T)+M(T)+D(T)], P(T>-P(T+dt)=d[A(T)], откуда

dK(t)/dr=-{riG Фа(х)/[Ф«(т)+К(т)]+г1м Фр(т)/[Фр(т)+К(т)]+ г)о Фу(т)/[Фу(т)+К(т)]} К(т) (17)

В окончательном виде математическая модель будет представлена в виде системы дифференциальных уравнений (18)

Введенные в модель коэффициенты характеризуют г^д-скоростЕ. образования глюкозы в процессе ферментативного гидролиза, Г|м - скорость образования мальтозы из крахмала, r|D -скорость образования декстринов из крахмала, т^д — скорость образования аминокислот и пептидов из белка, ^а — скорость образования глюкозы из декстринов, -скорость образования мальтозы из декстринов, «Род — скорость расходования а-фермента при расщеплении декстринов до глюкозы, фаМ — скорость расходования сх-фермента при расщеплении крахмала до мальтозы, фро - скорость расходования Р-фермента при расщеплении крахмала до глюкозы, фрм — скорость расходования Р-фермента при расщеплении мальтозы, ф.^ — скорость расходования у-фермента при расщеплении декстринов, фяА -скорость расходования я-фермента при расщеплении белкового комплекса, Çmg-конверсию мальтозы в глюкозу

Г dK(x)/dx= - По[Фа(т)/ (Фа(т)+К<т))] К(т) - Пм[(Фр(г)/ (Фр(т)+К(т))] К(т) -Пп[Фг(т)/(Фт(т)+К(т))]К(т), dP(x)/dr= - пл[Ф,«/ (Ф„(т)+Р(т))] Р(т),

dD(x)/dx= - ЫФа(х)/ (Ф„(х)+П(х))] D(x) - ^м[(Фр(х)/ (фр(х)+0(х))] D(x) +

г1П[Ф,(т)/(Ф/х)+К(т))] К(т), dG(x)/dt= По[Фа(т)/ (Фа(х)+К(х))] К(х) - ад(Фр(х)/ (®p(x)+D(t))] D(x) +

£м0[Фу(х)/(Фу(х)+М(х))]М(х), dM(x)/dx= ты[Фа(х)/ (Фа(х)+К(х))] К(х) - Ы(Фр(т)/ (Фр(х)+1Э(х))] D(t) -

U[®r(T)/ (Фг(т)Ш(х))] М(т) , (18)

dA(x)/dx=- тЦФ, (т)/ (Ф„(х)+Р(т))] Р(т), d®0(x)/dx= -[4>aCG(x)+ ^(тЙФ^х); с1Фл(т)/dr=—[фра С(х)+ф»м М(т)] Фр(г); d®/x)/dx=-<pï D(t) Ф,(т), dO„(x)/d х=-<рЛт)Фп(т).

Начальные условия

К(0)=ЬСо, М(0)=М0, G(0)=G0, Р(0)ЧР0, А(0)=А„, D(0)=Do, Фа(0)=Фа0,

Фр(0)='Фро, Ф,(0)=Ф*о, Ф,(0)=Ф«о, Балансовые соотношения К(т)т(т)+Ф0(т)+Фр(т)+Фу(т)+0(т)+М(т)=соп51 Р(т)+Ф,(т)+А(т)=сспз1

Решение системы дифференциальных уравнении выполнено в среде МАТЬАВ с использованием функции ос!е45( ), реализующей метод Рунге-Кутта 4-5 порядка точности Результаты графического решения системы приведены на рис 4-6

■ I 11|1МШШ11Ш__I_ШШМЩ1Ш1ИШМ1—И»ИИ—ШШМ»ИИ1МИИ1ММ"Ш1ТПГ'*111 >1—» И1> .....N111- Ч" ''"'''-' - .

Рисунок 4 - Динамика изменения массовых концентраций Сахаров

Рисунок 5 - Динамика изменения массовых концентраций ферментов (вычислительный эксперимент) Alpha —а-амштаза, Betta- ß-амилаза, Gamma — у- глкжоамшгаза, Pi — it- протеаза

Рисунок 6 - Динамика изменения показателей ферментативной деструкции белка Protein - белок, Amino Acids — аминокислоты и пептиды (вычислительный эксперимент)

4 L.„.

5 @ 6

О

—L- " "V. -J

Рисунок 7 - Схема экспериментальной автоматизированной установки

В четвертой главе предложен комплексный косвенный показатель, характеризующий динамику процесса осахаривания храхмалсодержащего сырья - величина потребляемой энергии, оценивающий вязкость зерновых замесов, и разработана экспериментальная автоматизированная установка

для контроля вязкости затора в реальном масштабе времени

Экспериментальная установка (рис 7) состоит из следующих частей 1 - емкость с исследуемой средой, 2 — отбойники, 3 - мешалка лопастного типа, 4 - электрический двигатель, 5 — блок для регулировки двигателя, 6 -регистрирующий прибор

Предложенная экспериментальная автоматизированная установка является своеобразным датчиком процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья Сопоставляя графики зависимости потребляемой мощности от времени (рис 8), получаемые при использовании установки, и графики, получаемые при решении системы дифференциальных уравнений (рис 4-6), можно судить о скорости, качестве протекания наблюдаемого процесса, выполнять прогноз и вносить необходимые коррективы

Рисунок 8 - Изменение мощности, затрачиваемой на перемешивание, при внесении ферментов (натурный эксперимент)

Использование математической модели в комплексе с экспериментальной автоматизированной установкой позволяет осуществлять управление (рис 8) и мониторинг процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья

Если процесс осахаривания протекает в нормальном режиме график зависимости по 1 реблисмий мощности от времени, кссиешю характеризующий процесс, соответствует эталонному, который может быть получен предварительно при проведении лабораторных опытов в условиях, приближенных к идеальным. Сопоставление с графиками, получаемыми при решении системы дифференциальных уравнений, позволяет судить о

соотношениях концентраций различных компонентов фермент-субстрактного комплекса в любой момент времени

В случае отклонения экспериментального графика, получаемого при работе автоматизированной установки, от эталонного, расчеты, производимые по разработанной модели, позволят сделать вывод об отклонениях массообменных процессов от нормы, протекающий при осахаривании фермент-субстрактного комплекса

Рисунок 8 — Схема управления процессом осахаривания крахмалсодержащего сырья

Заключение

Для повышения эффективности мониторинга процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья в диссертационной работе проведено математическое моделирование данного процесса, комплексно учитывающее все участвующие в нем компоненты В итоге получены следующие научные и практические результаты

1 На основе анализа биохимических превращений, протекающих в процессе осахаривания крахмалсодержащего сырья, построена физическая модель изучаемого процесса

2 Обосновано, что для комплексного исследования условий, способствующих наиболее полному расщеплению крахмала до сбраживаемых Сахаров и процесса брожения, наиболее предпочтительными являются динамические модели, описывающие кинетику изменения основных показателей ферментативного гидролиза зернового сырья

3 Обоснована необходимость учета при математическом моделировании процесса осахаривания белкового компонента, оказывающего значительное влияние на эффективность процесса осахаривания, а, следовательно, на увеличение выхода спирта и уменьшение количества ферментов.

4 Разработана и исследована математическая модель осахаривания крахмалсодержащего сырья в виде системы дифференциальных уравнений, описывающая кинетику изменения основных показателей ферментативного гидролиза зернового сырья с учетом белкового компонента

5. Уточнены значения кинетических коэффициентов системы

6 На основе вычислительного эксперимента изучена динамика изменения крахмала, мальтозы, декстринов, белков и других компонентов фермент-субстрактного комплекса при осахаривании крахмалсодержащего сырья

7 Разработана автоматизированная экспериментальная установка, позволяющая контролировать динамику изменения степени деструкции крахмала при тепловой обработке замесов

8 Показано, что разработанная математическая модель в комплексе с экспериментальной автоматизированной установкой может использоваться для мониторинга процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья с целью оперативного руководства качеством его протекания

Список публикаций по теме диссертационной работы ' Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Солонинов, Д А Моделирование процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья с учетом белкового компонента [Текст] / ДА Солонинов, О С Мезенцева // Обозрение прикладной и промышленной математики Т 15, вып 1 -2008 -С 176-177

2 Востриков, С В Факторы, влияющие на вязкость пшеничных замесов [Текст] / С В Востриков, А Н Яковлев, М А Бушин, Д А Солонинов // Производство спирта и ликероводочных изделий —2006 - №1, С 32-33 Публикации в периодической литературе:

3 Солонинов, Д А Математическая модель деструкции зернового сырья при комплексном применении амилолитических и протеолитических ферментов в спирговом производстве [Текст] / С В Кулакова, ДА Солонинов, С В Востриков, АН Яковлев//Техника и технология №6 -2006 - С 123-128 Публикации в сборниках по итогам проведения международных и всероссийских иаучио-практическнх конференций*

4 Солонинов, Д А Математическая модель процесса деструкции зернового сырья при комплексном применении амилолитических и протеолитических ферментных препаратов [Текст] / ДА Солонинов, О С Мезенцева // Проблемы обеспечения устойчивого экономического роста аграрного сектора экономики Сборник научных трудов по материалам Всероссийской научно-практической конференции — Ставрополь Аргус, 2006 -С 126-131

5 Солонинов, ДА Исследование и математическое моделирование процесса клейстеризации крахмала [Текст] /ДА Солонинов, О С Мезенцева // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике Материалы VII Международной научно-практической конференции Ч 1 -Новочеркасск ЮРГТУ (НПИ), 2007 -С 46-50

6 Солонинов, ДА Математическая модель процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья и реализация ее возможностей в производственной деятельности [Текст] // Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании Сборник научных трудов по материалам III Международной научно-технической конференции - Ставрополь изд-во СевКавГТУ, 2008 -С 126-131

Депонированные работы.

7 Солонинов, Д А Математическое моделирование процесса деструкции крахмалсодержащего сырья Деп. в ВИНИТИ №495-В2007 Ставрополь, 2007— С 1-12

8 Солонинов, Д А. Описание программно-технического комплекса контроля процесса осахаривания крахмалсодержащего сырья /ДА Солонинов, О С Мезенцева// Деп в ВИНИТИ № 496 - В2007. Ставрополь, 2007-С 1-20

I

18

От печатано в ангорской редакции

Подписано в печать 29 05 2008 г Формат 60x84 1/16 Уел печ л - 1,25 Уч - ичд л -1,0 Бумага офеиная Печать офсетная 3ака1№317 Тираж 100 экз ГОУ 13ПО <<Сет.ро-Клпкщ( кий Iосударственный технический университет» 355029, г Ставрополь, пр Кулаков 1,2

Издательство Ссверо-Кавка-(екого государственного I схнического уииверстет Отпечатано в типографии СсвКавРГУ