автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Синтез алгоритмов управления в условиях конкурентного взаимодействия популяций микроорганизмов

? 4 да

На правах рукописи

БЕЗРЯДИНА Галина Николаевна

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КОНКУРЕНТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОПУЛЯЦИЙ МИКРООРГАНИЗМОВ ( на примере дрожжевого производства )

Специальность

05.13.16 -Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях ( в отрасли технических наук ) 05.13.07-Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 1997

Работа выполнена на кафедре автоматизированных систем управления Воронежской государственной технологической академии (ВГТА)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ануфриев В.В.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Сербулов Ю.С.

Официальные оппоненты: - заслуженный изобретатель РФ, доктор

технических наук, профессор, академик ПАИ Смсшенцев В.П. - заслуженный работник высшей сколы РФ. кандидат физико-математических наук, профессор, академик МАИ Куцов Б.И.

Ведущая организация - АО "Центравтомати<<а"

г. Воронеж

Защита состоится "20* 1997 г. в конференц-зале ъЛ_

часов на заседании диссертационного совета Л 063.90.02 Воронежской государственной технологической академии по адресу: 394017, г.Воронеж, проспект Революции,19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТА

Автореферат разослан " /£ " 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

В. 11. Самойлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема дефицита белка и витаминов сегодня весьма актуальна. Поэтому большого внимания заслуживают дрожжи как ценный продукт питания. Использование их различно. В медицине их назначают здоровым людям для профилактики, а также после тяжелых инфекционных заболеваний, ожогах, туберкулезе, бруцелезе, травмах и многих других болезнях. В сельском хозяйстве их добавляют в корм скоту. Давно и широко дрожжи применяются в хлебопекарной, кондитерской, витаминной промышленности и в виноделии. В связи с этим перед современной биотехнологией встает ряд следующих задач: увеличение выхода целевого продукта; улучшение его качества ; продление сроков хранения; анализ содержания в нем вредных компонентов и токсичных веществ, а также вопросы управления биотехнологическими процессами.

Показатели качества в дрожжевой промышленности зависят от микробиологических. технологических условии выращивания и, отчасти, хранения. Немаловажное значение имеет инфекция, т.е. обсемененность дрожжей посторонними микроорганизмами. Присутствие в готовых дрожжах, помимо основной культуры, представителей других популяций существенно ухудшает их бродильную активность, уменьшает подъемную силу, снижает срок хранения.

Интенсификация научно-исследовательских работ, качество исследований. надежность и достоверность получаемых результатов - одно из направлений, которое позволит улучшить качество выпускаемых дрожжей. А одной из действенных мер. направленных на повышение достоверности получаемой информации, эффективности труда исследователей , продуктивности процессов - является применение математических методов и вычислительной техники в научных исследованиях.

Актуальность темы диЬсертационной работы продиктована необходимостью улучшения качества дрожжей при производстве за счет снижения их инфицированное™ путем применения возможных способов борьбы с посторонними микроорганизмами на разных технологических стадиях и разработки алгоритмов, систем и устройств управления процессом на основании этих способов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизированных систем управления Воронежской государственной технологической академии и соответствует научному направлению ВГТА "Разработка и совершенствование способов и средств автоматизации и управления пищевых и химических производств".

Целью работы является разработка методов, алгоритмов и устройств

управления микробиологическим экспериментом и производством на базе математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать алгоритмы и устройства для управления микробиологическим производством в условиях конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, позволяющие снизить инфицированность процесса:

2) обосновать выбор математической модели, адекватно описывающей процесс микробиологического эксперимента и производства, и возможности управления им при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов;

3) провести качественное исследование выбранной математической модели с целью получения возможных вариантов поведения и управления при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов, оценить условия устойчивости и область притяжения положений равновесия конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;

4) исследовать экспериментально конкурентное взаимодействие двух популяций микроорганизмов для определения возможных вариантов и каналов управления процессом производства жидкой ржаной закваски. Выявить конкретные способы управления с целью устранения посторонней микрофлоры на стадии производственного процесса.

Научная новизна.

Проведено качественное исследование математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, используемой для управления микробиологическим производством, в результате которого получены:

- условия устойчивости конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;

- определены конкретные значения особых точек на фазовой плоскости при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов и область притяжения устойчивого положения конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;

- условия роста полезной и поддержания численности "диких" микроорганизмов в допустимых пределах при сохранении устойчивого состояния конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;

- численные значения коэффициентов математической модели для процесса производства жидкой ржаной закваски.

Разработаны алгоритмы и устройства, позволяющих управлять микро-•галогическим экспериментом и производством в условиях конкурентного заимодействия двух популяций микроорганизмов.

Экспериментально подтверждены теоретические исследования.

Практическая ценность.

Определены два конкретных способа управления и поддержания чис-гнности "диких" микроорганизмов в допустимых пределах для процесса эоизводства жидкой ржаной закваски.

Предложены:

- алгоритм управления ростом полезных и "диких" микроорганизмов на основе определения коэффициентов математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций и подачи в питательную среду стимулятора роста полезных микроорганизмов;

- устройство, позволяющее оперативно определять количество "диких" микроорганизмов и управлять отбором части биомассы с основным содержанием "диких" микроорганизмов, на основе создания электрического поля в верхнем слое культуральной жидкости и специфической конструкции данного устройства;

- система регулирования, использующая нечеткий алгоритм управления изменением биомассы среды.

Использование результатов работы позволит получить экономический )фект за счет увеличения выхода качественной продукции, что является ишым для современных рыночных отношений.

Реализация результатов работы. Проведены испытания на АООТ "Хле-)завод N 5" г.Воронежа способа производства жидкой ржаной закваски с доением в питательную среду глюконата кальция с положительным ре-гльтатом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и об-гждались на XXXIV отчетной научной конференции за 1994г. (Воро-;ж. 1994), IV Всероссийской конференции "Повышение эффективности обра-зтки информации на базе математического и машинного моделирования" Тамбов, 1995), Всероссийской конференции "Информационные технологии и кггемы" (Воронеж.1995), Международном экологическом конгрессе (Воро-2ж. 1996). Российском молодежном научном симпозиуме "Молодежь и проб-;мы информационного и экологического мониторинга" (Воронеж.1996). зероссийской конференции "Современные достижения биотехнологии" Ставрополь, 1996), Международной конференции "Математические методы в шии и химической технологии". Школа молодых ученых (Тула,1996), II зспубликанской электронной научной конференции "Современные проблемы

автоматизации" (Вороне*, 1997), Международной научно-практической ко ференции "Научно-технический прогресс в бродильных производствах" (В ронеж, 1997), Международной конференции "Прогрессивные технологии оборудование для пищевой промышленности" (Воронеж. 1997).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печа ных работ, в том числе получено 1 положительное решение о выдаче п тента по заявке на изобретение N 96114611/13(020812).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из вв дения. четырех глав, заключения, списка литературы из 150 наименован и содержит 158 страниц машинописного текста. 21 рисунка. 6 таблиц приложения на 8 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы.

В первой гладе поведен анализ ситуации возникновения инфекции микробиологическом производстве, определены возможные характеры и thi взаимодействия между популяциями полезных и "диких" микроорганизмов, также способы и методы борьбы с последними. Проанализированы существ] ющие математические модели, описывающие микробиологические процесс! выявлены их особенности с точки зрения математического описания проблем управления. Обоснованы актуальность, цель и задачи дальнейш< работы.

Во второй главе представлены результаты качественного исследов. ния математической модели конкурентного взаимодействия двух популяц) микроорганизмов, используемой для управления микробиологическим прои; водством.

В качестве математической модели, адекватно описывающей ситуащ конкурентного взаимодействия микроорганизмов из-за потребления одно] ресурса, используется система Лотки-Вольтерра, адаптированная для мш робиологического процесса:

dx/dt- x Oij-Cj-tni/xJ-x-O^-dj/xJ-y) dy/dt- у-(мг-с2-<M2/yB)-y-(M2C2/yJ-x) •

где х - численность полезной популяции микроорганизмов, млн/г;

у - численность " диких " микроорганизмов, млн/г;

■ H ~ удельные скорости роста полезных и " диких " микроорг; низмов. соответственно, ч"1;

ct, с2 - коэффициенты естественной смертности полезной и "дико!

популяций микроорганизмов, соответственно. ч~1; с<1.й2 - коэффициенты, характеризующие межвидовое взаимодействие

для полезной и "дикой" культур, соответственно; хга.ут - максимально возможные численности полезной и "дикой"

культур в данных условиях, соответственно, млн/г. Решения системы (положения равновесия) имеют вид: ( *(1>: У(1>) - ( 0:0 ) : (2)

2- < х(2); у(2)) - (0; (дг-с2)/к2) ; (3)

3. ( Х(3); у(3)) - ((щ -С!)/к,; 0) ; (4)

4.

Ч4):У(4))=

(ji^-CJ )-kg-ín^-c^)-«! -kj (Ug-cgj-kj-ím-c^-tía-kg

(б)

kt-k2-(1 - üj ot2) kj-k2 • (i - otj-аг)

где k!= »ц^ ; k2-

Характер устойчивости положений равновесия (x(,); У(i)). =1.2,3,4 определяли с помощью метода Ляпунова. Для этого проводили шеарнзацип системы около положений равновесия:

diC/dt = (щ-с^г-kj-Xd)-«!-k,-у(1))-IT-oí!-k! x(i)-зе ;

(6)

dae/dt ■= -ot2-k2*y(,)-^(jig-Cj-tía-kg-XfD^-kg-yd))-* .

ie i = x - x(1) , se - y - y(1) .

В зависимости от вида корней характеристического уравнения линеа-13ованной системы определяли характер поведения фазовых траекторий >лизи положений равновесия.

1) Для первого положения равновесия (х(1); у(1 j) = (0;0) корни ха-истеристического уравнения ^-(jij-Cj), X-¿ - (дя -с2) - являются вещест-;нными. различными и имеют один знак, следовательно. точка с( i) '• У( i)) является неустойчивым узлом.

2) Для второго положения равновесия Cx(2);y(2)) корни имеют сле-гвщий вид:

Jij-c,-(«!-к, • (Д2-Сг))/к2 , -(jig-Ca).

Если выполняется условие:

щ-С!> (tíj ■ kj • (jig -Cg)) /к2 . (7)

> точка (Х(2);у(2)) является седлом, в противном случае - устойчивым

1ЛОМ.

3) В случае третьего положения равновесия (х(3}:У(з >): Х^-Оц-Cj) . Xa- u2-c2-(tí2-k2-(»i1-ci))/k1.

Если выполняется условие:

ilo-o¡ > (tf2-k2-(u^-Cj))/^ , (8)

то точка (Х(з)1У(з)) является седлом, в противном случае - устойчивьп узлом.

4) Для четвертого положения равновесия (х(*):У(4)^ корни имею-

вид:

X) •ЗЦг'Ах'Ау/Ск! -к2 • и-с^ -аг)). х1+х2=-(к1 -Дх+к2 •Ду)/(к1 -к2 • (1-й4 -с(2))<0.

где

Дх

Д1-С1

«,-к!

Ау

к, «2 'к2

Я1-С1 М2-С2

При выполнении условий Дх>0, Ду>0 корни характеристического уравнения одного знака и оба отрицательные, следовательно, положение равновесия (Х(4):У(4)) будет являться устойчивым узлом при выполнении условий (7), (8) и

а, < 1/а2 . (9)

Для достижения условия роста полезной популяции микроорганизмов * поддержания численности "диких" в допустимых пределах (0;&] при сохранении устойчивого состояния системы, необходимо выполнение следующш неравенств:

1-

_С1_

в- (1-«*! -аг) -Мг

(10)

у" у"

«*! 0(2< 1 .

Построены фазовые портреты системы вблизи положений равновесия, показывающие зависимость состояния одной популяции микроорганизмов 01 другой при различных начальных условиях.

Определена область притяжения Ос положений равновесия систеш I)' У( 1)} • имеющая вид:

Се= {(х;у):

1-

Чи

1-

у(1)

А

Ие х(А)

-е

где

А

А

-а11 -а12 -а21 _а22

V (и) • I А 12

;<»> о О у(,)

г\

(И) (12)

(х(,); У(1))~ координаты положения равновесия, ац^/х,,; а12=а1»11/хл,; аг1 ч^^/у,; а^^/у,,.

А А

I А 12 - спектральная норма матрицы А .

А /А А

л I а 12 - /хаг-ю. л (13)

Ат- транспонированная матрица А. е - малое отклонение.

Л А

Re Х(А)-действительная часть собственных значений матрицы (А);

V(U) - число обусловленности матрицы U, ■■де U - матрица, приводящая А к диагональному виду,

v(U)- -7-{(hl(1,)2+(h2(1,)2+(hl(2))2+(h2(2))2+

_\__(14)

/[(»¡•'Г^'Т-^Т-КТГ* «■«* »>2 .

det и - hj • n2 - hj • n2

(hj1! fig5) и (h{2! t42)) - координаты собственных векторов,

A

)твечающие собственным значениям матрицы А.

Построена данная область для конкретной ситуации процесса производства яидкой разной закваски, позволяющая установить диапазон изменения соотношений численностей двух популяций микроорганизмов при сох-)анении устойчивого состояния системы.

В третьей главе приводятся экспериментальные данные, подтверздап-цие предполагаемые типы и характеры взаимодействий мелду двумя популяциями микроорганизмов на примере производства жидкой ржаной закваски. 1олучены реальные численные значения коэффициентов, позволяющие оце-шть адекватность предлагаемой математической модели реальному техно-тогическому процессу. Выявлены два конкретных способа (канала управления) подавления "диких" микроорганизмов на производственной стадии для лроцесса приготовления жидкой ржаной закваски.

1.Биологический - с помощью добавления в культуральную среду до-толнительной популяции микроорганизмов. нейтрально или стимулирующее действующих на полезную популяцию и оказывающую подавляющее действие на "дикую" культуру. Для жидкой ржаной закваски такой популяцией является молочнокислые бактерии.

2.Химический - добавление в культуральную среду стимулятора рос-

та. оказывающего положительное действие на полезную популяцию микроор ганизмов и нейтральное на "диких". Для процесса приготовления жидко ржаной закваски в качестве стимулятора роста можно применить - глюко нат кальция.

В четвертой главе предлагаются алгоритмы, системы и устройств управления микробиологическим процессом при конкурентном взаимодейс твии двух популяций микроорганизмов, позволяющие контролировать и ре гулировать количество "диких".микроорганизмов в культуральной жидкост во время ведения технологического процесса.

1. Алгоритм управления микробиологическим процессом при конкурент ном взаимодействии двух популяций микроорганизмов представленный н рис.1., работает следующим образом:

Рис.1.

Структурная схема алгоритма управления микробиологическим процессом при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов

От датчиков 1 и 2-количества полезной и "дикой" популяций микро организмов информация поступает на функциональный блок 3, где произво дится определение коэффициентов математической модели (1). С блока информация поступает на логический блок 4. где проверяются условия ус тойчивости системы (7), (8). (9) и попадание ее в область притяжени точки равновесия (11). Если любое из условий не выполняется, то с бло ка 4 сигнал поступает на управляющее устройство 8. которое выдает сиг нал на исполнительный механизм с регулирующим органом, расположенно на линии подачи стимулятора роста полезной популяции микроорганизма (в частности, для процесса производства жидкой ржаной закваски таки веществом является глюконат кальция), причем подается максимально значение расхода этого компонента с целью перехода системы в устойчи вое состояние.

Если же условия выполняются, то со второго выхода логического пока 4 информация поступает на блок 7 для сравнения количества нди-их" микроорганизмов, поступающих от датчика 2 и задатчика допустимого оличества "диких". Численное значение этой разности поступает на уп-авляющее устройство 8, при этом первый выход управляющего устройства, вязанного напрямую с исполнительным механизмом закрывается, а второй ыход, связывающий блок 7 с регулятором соотношения 9, открывается. В оследнем значение разности сравнивается с показаниями датчика 6, т.е. количеством муки, поступающей в аппарат, и вырабатывается регулирую-ее воздействие в соответствии с заданным соотношением "расход му-и-расход стимулятора роста (глюконата кальция)н, поступающим на исполнительный механизм, расположенный на линии подачи стимулятора роста глюконата кальция) в аппарат. Для процесса приготовления жидкой ряа-ой закваски это соотношение составляет-0.0075% глюконата кальция от оличества муки.

Предлагаешй алгоритм управления позволяет обеспечить устойчивое остояние системы и поддерживать в допустимых пределах количество "ди-их" микроорганизмов в аппарате во время ведения технологического про-есса.

2.Система регулирования с нечетким алгоритмом управления измене-ием биомассы среды.

В качестве регулируемой переменной, характеризующей процесс, приято изменение биомассы среды во времени. За заданное эталонное значе-ие регулируемой величины установлено изменение биомассы среды во вре-ени чистой культуры, т.е. при отсутствии посторонней микрофлоры. В ачестве способа подавления "диких" микроорганизмов выбран - химичес-ий. Тогда, за регулирующую переменную установим степень открытия кла-ана подачи стимулятора роста ДН. в частности, глюконата кальция, в ппарат для приготовления жидкой ржаной закваски.

Задача состоит в стабилизации регулируемой переменной путем появления посторонней микрофлоры. Результирующее воздействие зависит от ггклонения регулируемой величины от эталонных значений АО и скорости 1змснсния этого отклонения сЩ. Последняя определяется изменением отк-юнения за период между текущим и предыдущим моментами опроса датчика.

Выбраны виды отклонений: ОВ(ПВ) - отрицательно (положительно) вы-:окое; ОС(ПС) - отрицательно (положительно) среднее; ОМ(ПМ) - отрица-■ельно (положительно) малое; Н - нейтральное.

Для каждой регулируемой и регулирующей переменной сформированы фавила регулирования в виде условных высказываний, приведенных в

табл.1., образующих нечеткий алгоритм регулирования биомассы среды времени.

Таблица 1.

Нечеткий алгоритм регулирования изменения биомассы среды

Бели ÂQ и dQ то АН

ОВ ОВ ПВ

ОВ ОВ или ОС ПВ

ОВ ОС ПС

ОВ OU или ОС ПС

ОВ ОН ПС

ОС ОВ ПВ

ОС ОВ или ОС ПВ

ОС ОС ПС

ОС ОС или OU ПС

ОС ОМ ПС

(Ж ОВ ПС

ОМ ОВ или ОС ПС

ou ОС ПС

ou ОС или ОМ ПМ

ou H или OU пы

H H H

Каждое правило формализуется нечетким описанием R. Причем, каз дому правилу из табл.1, соответствует свое отношение.

В процессе функционирования каждого алгоритма, по результатам oi роса датчиков, строится множество AQdQ* с функцией степеней принадлеа ности:

t ( 1,если AQ-AQq. dQ-dQo;

MAûd0* (ДО. dQ) - { „ Ш)

A40U 1 0, в противном случае.

где AQo.dC^ - измеренные значения. Используя множество AQdQ* д) каждого правила, из табл.1, находим множество регулирующих воздейстш АН. степень принадлежности к которому определяется в виде:

к . ( и l i к л

шах nln[^QdQ* . Дйз ) *» J »

где MiU.-M^iAQi.dQj): К* Щ.Щ.&к):

mûH - мдн(Дн£); s - номер правила.

Результирующее нечеткое множество регулирующего воздействия I находим объединением множеств, полученных с использованием каждого бс

- И -

>авил алгоритма, т.е. ДН - и ДНз. где Б- количество правил из табл.1, юнчательным принимается значение регулирующего воздействия с макси-шьной степенью принадлежности результирующему множеству ДН.

Так. например, для правила "Если ДО есть ОИ и сЩ есть ОМ или ОС, > ДН есть ПН" и для текущих измеренных значений ДО- 10 млн/г и (10- 20 т/г имеем степень открытия клапана ДН=35Ж. что соответствует подаче 0026% к массе муки глюконата кальция. Структура схемы регулирования нечетким алгоритмом представлена на рис.2., где 1-7-соответственно юк формирования заданного значения (1): блок формирования отклонения тулируемой величины (2); датчик(З); блок формирования скорости изме-!ния отклонения (4); блок выработки регулирующего воздействия (5); впан подачи глюконата кальция в аппарат (6); объект регулирования ).

Рис.2.

Структура схемы управления с нечетким алгоритмом изменения биомассы среда с учетом возмогного попадания в процесс посторонней микрофлоры

Изменение биомассы чистой культуры во времени О8 известно. В на-льный период технологического процесса необходимо определить коли-ство попавших в среду "диких" микроорганизмов. Используя соотношения алгоритмы, предложенные в главе 2. можно заранее дать прогноз на из-нение биомассы среды во времени Цт. что позволяет, применяя рассмот-нный нечеткий алгоритм, расчитать конкретное регулирующее воздейс-ие на объект.

3.Устройство, позволяющее оперативно определять количество "ди-хи микроорганизмов и управлять отбором верхней фазы продукта из ап-рата для выращивания микроорганизмов, представлено на рис.3, работа-следующим образом:

На сетки источника магнитного поля 2 подается напряжение постоян-го тока. Причем верхняя его часть 3 зарядится положительно, а нижняя

Рис. 3.

Устройство для управления отбором верхней фазы продукта из аппарата для выращивания микроорганизмов

1-отрицательно, создавая тем самым магнитное поле. В результате этого отрицательно заряженные дрожжевые клетки, находящиеся между сетками. 5удут отталкиваться от нижней 3 и притягиваться к верхней части 1 источника магнитного поля 2. Каркас источника изготовлен из труб. Верхняя и нияняя его части закреплены между собой с помощью пустотелых :тоек 5.

После создания магнитного поля в сетках источника его каркас автоматически выталкивается культуральной жидкостью на уровень раздела >аз.

Одновременно с подачей напряжения на сетки источника магнитного юля включается вакуумный насос. В разгрузочной трубе 6. нижняя часть соторой плавно переходит в патрубок для отвода верхней фазы продукта ', создается давление разряжения и предусмотренная для отбора верхняя >аза начинает удаляться из аппарата 1 через отверстия на каркасе ис-очника магнитного поля.

Уровень напряженности магнитного поля и количество необходимой ля отбора культуральной жидкости из верхней фазы подбирают под конк-етный аппарат для выращивания микроорганизмов с помощью изменения асстояния между верхней и нижней частями каркаса источника магнитного оля, а также размером отверстий на каркасе источника и подаваемым апряхением.

Данное устройство обеспечивает своевременный отвод "диких" микро-рганизиов до установления динамического равновесия ситуации конку-ентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов.

Таким образом, при использовании данного устройства на предприя-ии будет достигаться улучшение качества целевого продукта и повышение роизводительности аппарата за счет того, что его конструкция обеспе-ивает четкое разграничение фаз культуральной жидкости и своевременный твод пенной фазы, которая содержит основную часть посторонней микрофоры, из аппарата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведены качественные исследования математической модели кон-урентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, которые по-азали, что данная система имеет четыре положения равновесия, но толь-о одно из них является полностью ненулевым устойчивым узлом.

Заданы в виде системы уравнений условия устойчивости биосистемы ля случая роста полезной популяции микроорганизмов и поддержания чис-

ленности "дикой" культуры в допустимых пределах, при соблюдении кот< рых будет сохраняться устойчивое состояние конкурентного взаимодей< твия двух популяций микроорганизмов.

Построены фазовые траектории вблизи положений равновесия, позвс ляющие прогнозировать ситуацию конкурентного взаимодействия двух поп) ляций микроорганизмов в зависимости от начальных условий.

Проведена оценка области притяжения устойчивых положений коню рентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, показывающая как близко данная система должна находиться от своего устойчивого пс ложения равновесия, чтобы сохранялось ее устойчивое состояние.

Построена данная область для случая конкурентного взаимодейств! полезной и "дикой" популяций микроорганизмов в жидкой ржаной закваскс

2. Проверена адекватность предложенной математической модели ре сурсного взаимодействия двух популяций микроорганизмов реальному тег нологическому процессу производства жидкой ржаной закваски.

Подтверждены два возможных способа борьбы (канала управления) посторонней микрофлорой в микробиологическом производстве: химическ* и биологический.

Получены конкретные рекомендации по каждому из этих способов д/ процесса производства жидкой ржаной закваски. В качестве биологическс го способа рекомендуется добавлять в культуральную среду необходимо количество молочнокислых бактерий, а в качестве химического - стимул? тор роста полезных микроорганизмов - глюконат кальция. Это позволь поддерживать количество "диких" микроорганизмов в допустимых предела во время ведения производственного процесса.

Получен акт об испытании химического способа подавления "дикш микроорганизмов (стимулятора роста-глюконата кальция) при произволен жидкой ржаной закваски;

3. Представлен алгоритм управления микробиологическим процессе при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов, позвс ляющий обеспечить устойчивое состояние системы и управлять количестве "диких" микроорганизмов в аппарате в процессе ведения технологически процесса производства жидкой ржаной закваски. Это достигается с пс мощью формирования регулирующего воздействия, в зависимости от состоя ния системы, на исполнительный механизм, расположенный на линии внесе ния в культуральную жидкость стимулятора роста - глшоната кальция, соотношении 0.0075% от количества подаваемой муки;

Разработана блок-схема системы регулирования с нечетким алгорш мом управления изменением биомассы среды, позволяющая расчитать кони

псе регулирующее воздействие для процесса производства жидкой ржа-

закваски. Система обеспечивает стабилизацию изменения биомассы ды во времени путем задания соответствующего регулирующего воздейс-я на клапан подачи глюконата кальция в аппарат;

Предложено устройство, позволяющее оперативно определять коли-гво "диких" микроорганизмов и управлять отбором верхней фазы про-га из аппарата для выращивания микроорганизмов, улучшить качество эвого продукта и повысить производительность аппарата за счет того, его конструкция обеспечивает четкое разграничение фаз культураль-

жидкости и своевременный отвод пенной фазы, в которой находится эвная часть посторонней микрофлоры. Получено положительное решение здаче патента по заявке N 96114611/13(020812) на изобретение данно-(Гстройства.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ануфриев В.В.. Сербулов D.С.. Безрядина Г.Н. Устройство для эда верхней фазы продукта из аппарата для выращивания микроорганиз-// Положительное решение N 96114611/13(020812) от 18.04.97.

2. Ануфриев В.В., Безрядина Г. Н.. Сербулов D.С. Теоретикомножест-ме свойства целей // Матер. XXXIV отчетной научной конф.: Тез. г - Воронеж, 1994.-С. 20.

3. Ануфриев В.В.. Сербулов D.С.. Безрядина Г. Н. Моделирование ^лдатных ситуаций в микробиологическом процессе // Информационные юлогии и системы: Тез. докл. Всерос. кон®. - Воронеж, 1995. - С. 49.

4. К вопросу конфликта между системами из-за одного вида ресурса jcoes В. В.. Ануфриев В. В., Сербулов Ю. С.. Безрядина Г. Н. // Оптими-1Я и моделирование в автоматизированных системах: Ыеасвузовск. сбор-научных трудов.- Воронеж., 1995.- С.136-144.

5. К вопросу ресурсного конфликта между системами./ В.В.Сысоев, .Ануфриев. D.С.Сербулов, Г.Н.Безрядина // IV Всерос. конф: Тез. п.- Тамбов. 1995.- С.302-303.

6. Mathematical issues of ecological conflict In biological sys-s / V.V. Anufriev, Y.S. Serbulov, G.I. Shchepkin. G.N. Bezryadina International ecological congress.- Manhattan. Kansas. U.S.A..

5.- P. 84-85.

7. Сербулов D.C.. Ануфриев B.B., Безрядина Г.Н. Качественный ана-ресурсного конфликта микробиологических систем // Молодежь и проб-

я информационного и экологического ыониторинга: Тез. докл. Матер, сийского молодежного научного симпозиума. Воронеж, 1996.- Кн.1.-

6.

8. Суханова Н. В.. Безрядина Г. Н.. Голубкина Н. В. Экологичес конфликт в условиях микробиологического производства // Молодеж! проблемы информационного и экологического мониторинга: Тез. докл. тер. Российского молодежного научного симпозиума. - Вороне»,199е Кн. 1.- С. 44.

9. Безрядина Т.Н.. Дерканосова Н.М., Сербулов Ю.С. Модель про1 са культивирования микроорганизмов // Современные достижения биоте* логии: Тез. докл. Всерос. конф.- июль 1998.- Ставрополь. 19Е С. 226-227.

10. Математическая модель ресурсного конфликта двух популяций условиях биохимического производства / Ануфриев В.В.. Сербулов Ю. Безрядина Г. Н., Кожевников 0. Е. // Мат. методы в химии и химичес технологии: Тез. докл.: Междунар. конф.- Тула, 1996.- С.133.

11. Безрядина Г.Н. Качественное исследование математической мс ли ресурсного взаимодействия двух популяций микроорганизмов //Сое менные проблемы автоматизации: Тез. докл. II Республиканской электр ной научи, конф. - Изд-во Воронежского педуниверситета, 1997.- С.89.

12. Безрядина Г.Н. Математическая оценка ситуации конкурент» взаимодействия за потребление общего ресурса между двумя популяци микроорганизмов // Научно-технический прогресс в бродильных произвс твах: Тез. докл. Междунар. научно-практич. конф. - Воронеж, 1997 С. 48.

13. Сербулов Ю.С.. Дерканосова Н.М., Безрядина Г.Н. Устройс для отвода верхней фазы продукта из аппарата для выращивания микрс ганизмов // Пути повышения эффективности производства, хранения и реработки растениеводческой продукции: Сборник научн. трудов. - ВГ 1997. - С.131-134.

14. Математическая модель взаимодействия между микроорганизмам жидкой ржаной закваске / Дерканосова Н. М.. Сербулов Ю. С.. Шелэд С.А.. Безрядина Г. Н.// Прогрессивные технологии и оборудование для щевой промышленности: Тез. докл.: Междунар. конф. - Воронеж, 1997 С. 83-84.

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КОНКУРЕНТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОПУЛЯЦИЙ МИКРООРГАНИЗМОВ (на примере дрожжевого производства)

Специальность

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического

моделирования и математических методов в научных исследованиях (в отрасли технических наук)

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ануфриев В.В. Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент Сербулов Ю.С.

На правах рукописи

БЕЗРЯДИНА Галина Николаевна

Воронеж 1997

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................... 6

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ........................................ 12

1.1. Методы и способы культивирования микроорганизмов... 12

1.2. Основные виды микроорганизмов дрожжевого производства

и возможные взаимодействия между ними................. 17

1.2.1. Основная культура дрожжевого производства и посторонние микроорганизмы, обнаруживаемые в дрожжерас-тительном аппарате................................ 17

1.2.2. Типы взаимодействий между двумя популяциями микроорганизмов........................................ 20

1.2.3. Пути попадания посторонних микроорганизмов в дрожжевое производство и способы борьбы с ними........ 23

1.3. Математическое моделирование микробиологических процессов с целью управления ............................ 26

1.3.1. Классические модели биологических процессов..............26

1.3.2. Особенности микробиологических моделей........................29

1.3.3. Задачи управления микробиологическими процессами 32

1.4. Роль пищевого ресурса при совместном культивировании микроорганизмов..............................................................................33

1.4.1. Взаимоотношение между организмами одного трофического уровня в зависимости от количества пищевого ресурса........................................... 33

1.4.2. Возможные исходы конкуренции в зависимости от отношения организмов к пищевому ресурсу............. 37

1.5. Формулировка цели и задачи исследования............... 39

2. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ И КАЧЕСТВЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОНКУРЕНТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ДВУХ ПОПУЛЯЦИЙ МИКРООРГАНИЗМОВ............................................. 41

2.1. Постановка задачи..................................... 41

2.2. Математическая модель конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов........................ 43

2.3. Исследование конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов на устойчивость решений........... 47

2.3.1. Нахождение положений равновесия конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов..... 47

2.3.2. Построение фазовых траекторий вблизи положений равновесия при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов........................... 58

2.3.3. Выводы............................................ 64

2.4. Оценка области притяжения ненулевого положения равновесия конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов....................................... 65

2.4.1. Теоретическое обоснование метода оценки области притяжения........................................ 65

2.4.2. Алгоритм нахождения области притяжения положения равновесия конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов на примере конкретной ситуации............................................... 71

2.5. Выводы и задачи дальнейшей работы..................... 74

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ

ПОПУЛЯЦИЙ МИКРООРГАНИЗМОВ............................... 76

3.1. Постановка задачи..................................... 76

3.2. Процессы, происходящие при брожении жидкой ржаной закваски и ее микрофлора................................. 78

3.3. Использование глюконата кальция в производстве хлебобулочных изделий...................................... 82

3.4. Методика исследования................................. 84

3.4.1. Контрольный вариант............................... 88

3.5. Разработка биологического способа воздействия ( канала управления) при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов................................. 91

3.5.1. Выращивание чистой культуры полезных дрожжей...... 91

3.5.2. Выращивание чистой культуры молочнокислых бактерий 93

3.5.3. Выращивание чистой культуры "диких" микроорганизмов 95

3.5.4. Совместное выращивание полезной и "дикой" культур микроорганизмов и оценка их взаимодействия......... 95

3.5.5. Совместное выращивание МКБ и "диких" микроорганизмов и оценка их взаимодействия.................... 97

3.5.6. Изучение процессов в жидкой ржаной закваске с заваркой с учетом наличия в ней посторонней ("дикой") микрофлоры.................................. 101

3.5.7. Выводы........................................... 105

3.6. Проверка адекватности математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов процессу производства жидкой ржаной закваски.......... 106

3.7. Разработка химического способа воздействия ( канала

управления) при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов................................. 107

3.7.1. Влияние глюконата кальция на активность жидкой ржаной закваски................................... 107

3.7.2. Исследование влияния добавок глюконата кальция на постороннюю микрофлору ржаной закваски............ 111

3.7.3. Выводы............................................ ИЗ

3.8. Выводы и задачи дальнейшей работы..................... ИЗ

4. АЛГОРИТМЫ И УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИМ

ПРОЦЕССОМ ПРИ КОНКУРЕНТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ДВУХ ПОПУЛЯЦИЙ

МИКРООРГАНИЗМОВ.......................................... 115

4.1. Алгоритм управления микробиологическим процессом при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов................................................ 115

4.2. Система регулирования с нечетким алгоритмом управления изменением биомассы среды............................. 118

4.3. Устройство для управления отбором верхней фазы продукта из аппарата для выращивания микроорганизмов........ 126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................... 132

ЛИТЕРАТУРА................................................... 135

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................... 151

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Проблема дефицита белка и витаминов сегодня весьма актуальна. Поэтому большого внимания заслуживают дрожжи как ценный продукт питания. Их энергетическая ценность составляет 85 ккал (365 кДЖ). Использование их различно. В медицине их назначают здоровым людям для профилактики ( при белко-во-витаминной недостаточности ), а также после тяжелых инфекционных заболеваний, ожогах, туберкулезе, бруцелезе, травмах и многих других болезнях. В сельском хозяйстве их добавляют в корм скоту. Давно и широко дрожжи применяются в хлебопекарной, кондитерской, витаминной промышленности и в виноделии. В связи с этим перед современной биотехнологией встает ряд следующих задач: увеличение выхода целевого продукта; улучшение его качества ; продление сроков хранения; анализ содержания в нем вредных компонентов и токсичных веществ, а также вопросы управления биотехнологическими процессами.

Показатели качества в дрожжевой промышленности зависят от микробиологических, технологических условий выращивания и, отчасти, хранения. Немаловажное значение имеет инфекция, т.е. обсеме-ненность дрожжей посторонними микроорганизмами. Присутствие в готовых дрожжах, помимо основной культуры, представителей других популяций существенно ухудшает бродильную активность дрожжей, уменьшает их подъемную силу, снижает срок хранения.

Интенсификация научно-исследовательских работ, качество исследований, надежность и достоверность получаемых результатов -одно из направлений, которое позволит улучшить качество выпускаемых дрожжей. А одной из действенных мер, направленных на повыше-

ние достоверности получаемой информации, эффективности труда исследователей , продуктивности процессов - является применение математических методов и вычислительной техники в научных исследованиях.

Актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью улучшения качества дрожжей при производстве за счет снижения их инфицированное™ путем применения возможных способов борьбы с последними на разных производственных стадиях и разработки алгоритмов и систем управления на основании этих способов.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка методов, алгоритмов и устройств управления микробиологическим экспериментом и производством на базе математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать алгоритмы и устройства для управления микробиологическим производством в условиях конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, позволяющие снизить инфицирован-ность процесса;

2) обосновать выбор математической модели, адекватно описывающей процесс микробиологического эксперимента и производства, и возможности управления им при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов;

3) провести качественное исследование выбранной математической модели с целью получения возможных вариантов поведения и управления при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов, оценить условия устойчивости и область притяжения положений равновесия конкурентного взаимодействия двух популяций микроорга-

низмов;

4) исследовать экспериментально конкурентное взаимодействие двух популяций микроорганизмов для определения возможных вариантов и каналов управления процессом производства жидкой ржаной закваски. Выявить конкретные способы управления с целью устранения посторонней микрофлоры на стадии производственного процесса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Проведено качественное исследование математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, используемой для управления микробиологическим производством, в результате которого получены:

- условия устойчивости конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;

- определены конкретные значения особых точек на фазовой плоскости при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов и область притяжения устойчивого положения конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;

- условия роста полезной и поддержания численности "диких" микроорганизмов в допустимых пределах при сохранении устойчивого состояния конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов;

- численные значения коэффициентов математической модели для процесса производства жидкой ржаной закваски.

Разработаны алгоритмы и устройства, позволяющие управлять микробиологическим экспериментом и производством в условиях конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов.

Экспериментально подтверждены теоретические исследования.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

Определены два конкретных способа управления и поддержания численности "диких" микроорганизмов в допустимых пределах для процесса производства жидкой ржаной закваски.

Предложены:

- алгоритм управления ростом полезных и "диких" микроорганизмов на основе определения коэффициентов математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций и подачи в питательную среду стимулятора роста полезных микроорганизмов;

- устройство, позволяющее оперативно определять количество "диких" микроорганизмов и управлять отбором части биомассы с основным содержанием "диких" микроорганизмов, на основе создания электрического поля в верхнем слое культуральной жидкости и специфической конструкции данного устройства;

- система регулирования, использующая нечеткий алгоритм управления изменением биомассы среды.

Использование результатов работы позволит получить экономический эффект за счет увеличения выхода качественной продукции, что является важным для современных рыночных отношений.

Содержание работы. В первой главе проведен анализ ситуации возникновения инфекции в микробиологическом производстве, определены возможные характеры и типы взаимодействия между популяциями полезных и "диких" микроорганизмов, а также способы и методы борьбы с последними. Проанализированы существующие математические модели , описывающие микробиологические процессы, выявлены их особенности с точки зрения математического описания и проблем управления. Оценена роль пищевого ресурса в характере взаимоотношений между микроорганизмами и возможные исходы конкуренции в зависимости от отношений организмов к ресурсу. Обоснованы актуаль-

ность, цель и задачи дальнейшей работы.

Во второй главе представлены результаты качественного исследования математической модели конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов. Найдены возможные положения равновесия конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, определен их тип и характер устойчивости. Получено условие сосуществования полезной и "дикой" популяций микроорганизмов. Построены фазовые траектории вблизи положений равновесия при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов. Проведена оценка области притяжения положений равновесия конкурентного взаимодействия двух популяций микроорганизмов, построена данная область для конкретной ситуации.

В третьей главе приводятся экспериментальные данные, подтверждающие предполагаемые типы и характеры взаимодействий между двумя популяциями микроорганизмов на примере производства жидкой ржаной закваски. Получены реальные численные значения коэффициентов, позволяющие оценить адекватность предлагаемой математической модели реальному технологическому процессу. Выявлены два возможных (конкретных) способа подавления (канала управления) "диких" микроорганизмов на производственной стадии для процесса приготовления жидкой ржаной закваски.

1.Биологический - с помощью добавления в культуральную среду дополнительной популяции микроорганизмов, нейтрально или стимулирующе действующих на полезную популяцию и оказывающую подавляющее действие на "дикую" культуру. Для жидкой ржаной закваски такой популяцией являются молочнокислые бактерии.

2.Химический - добавление в культуральную среду стимулятора роста, оказывающего положительное действие на полезную популяцию

- и -

микроорганизмов и нейтральное на "диких". Для процесса приготовления жидкой ржаной закваски в качестве стимулятора роста можно применить - глюконат кальция.

В четвертой главе предлагаются алгоритмы, системы и устройства управления микробиологическим процессом при конкурентном взаимодействии двух популяций микроорганизмов, позволяющие контролировать и регулировать количество "диких" микроорганизмов в куль-туральной жидкости во время ведения технологического процесса.

В заключении формулируются основные научные и практические результаты диссертационного исследования.

Прилагается список используемых литературных источников и приложения.

Диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизированных систем управления Воронежской государственной технологической академии и соответствует научному направлению ВГТА "Разработка и совершенствование способов и средств автоматизации и управления пищевых и химических производств".

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Методы и способы культивирования микроорганизмов

Биотехнология - это интегрированное использование биохимии, микробиологии, молекулярной биологии и прикладных наук в технологических процессах с использованием микроорганизмов, культур клеток и тканей [58,140].

Одной из составных частей биотехнологии является производство хлебопекарных дрожжей. Хлебопекарные дрожжи представляют собой биомассу дрожжевых клеток, содержащих богатый комплекс биологически активных веществ и обладающих ферментативной активностью, которая обеспечивает интенсивное сбраживание Сахаров муки и разрыхление теста [85,94,98,111].

Современная технология производства дрожжей состоит из комплекса сложных физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, осуществляемых посредством различных аппаратурных схем.

Все существующие технологические схемы производства дрожжей включают в себя следующие стадии: подготовка питательного субстрата - мелассы ( осветление, гомогенизация, стерилизация ) и приготовление растворов питательных солей - диаммоний фосфата, сульфата аммония, хлористого калия, кукурузного экстракта и др.; ферментации ( выращивания, культивирования, генерации ) и выделения дрожжей; прессование, фасовка и сушка.

Основным технологическим процессом схемы производства дрожжей является процесс их ферментации, который обычно ведется в три генерации:

генерация А - маточные дрожжи естественно чистой культуры

( ЕЧК ) и чистой культуры ( ЧК ); генерация Б - засевные дрожжи; генерация В - товарные дрожжи.

В настоящее время в отечественной и зарубежной дрожжевой промышленности функционирует много технологических схем, которые различаются между собой способом выращивания дрожжей, числом генераций, временем культивирования каждой генерации, скоростью роста дрожжей, величина�