Tehnici de Conducere L-A a Proceselor Biotehnologice

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

Evolutia coplesitoare a tehnicii din ultimii ani, in special din ultimul deceniu, a dus, inevitabil, si la dezvoltarea industriei biochimice. Este evident faptul ca si in aceasta industrie si-a făcut loc din ce in ce mai mult tehnica de calcul care a avut evolutia cea mai mare din ultimii 20 de ani. Automatizarea, reglarea, optimizarea unui proces biotehnologic sunt acum intilnite din ce in ce rnai mult, fiind în pas cu ultimele descoperiri din domeniul tehnicii de calcul.

Se intilnesc tot mai mult fabrici de antibiotice care folosesc drept materie prima culturi de microorganisme obtinute din bioreactoare, statii de filtrare a apei ce folosesc culturi de microorganisme pentru a distruge alte microorganisme daunatoare, si exemplele ar putea continua.

Interfatarea cu procesul reglat trebuie sa fie cât mai simpla, iar timpii de raspuns ai algoritmilor trebuie sa fie foarte mici, întrucit orice întirziere intr-un astfel de proces controlat in timp real ar putea dauna ireversibil microvietuitoarelor din reactor. In ceea ce priveste algoritmii, acestia trebuie sa fie cat mai simpli si sa foloseasca cat mai putine variabile din sistemul procesului.

Lucrarea de fata isi propune realizarea unor tehnici de control de tip L/A-logaritmic algorithm, a proceselor biotehnologice si cuprinde sase capitole.

Primul capitol se vrea o introducere in domeniul bioreactoarelor si a ariei lor de aplicabilitate.

In cadrul capitolului al doilea se va face o scurta prezentare teoretica a proceselor biotehnologice preluata din literatura de specialitate.

Pe baza premiselor de mai sus se va realiza sinteza legii de comanda tip L/A in cadrul capitolului al treilea.

Apoi, in capitolul patru al lucrarii se va realiza controlul simultan al biomasei si al substratului in cadrul unui proces continuu urmind ca in capitolul cinci sa se trateze problema controlului unui proces biotehnologic de tip fed-batch.

In final se vor trage o serie de concluzii cuprinse în capitolul al saselea.

CAPITOLUL 2

DESCRIEREA PROCESELOR BIOTEHNOLOGICE

Procesele biotehnologice sunt procese de conversie, in care cel putin unul dintre agenti este de origine biologica. Astfel de agenti sunt microorganismele si enzimele. Procesele in care se folosesc materiale de origine biologica, dar agentii sunt de alta natura, fac parte tot din categoria proceselor biotehnologice .

In general, procesele biotehnologice au la baza dezvoltarea unor culturi de microorganisme, procedeu extrem de economicos si avantajos la scara industriala, prin care se obtin antibiotice, enzime, vitamine, biocarburanti, mase plastice, acizi organici, aminoacizi, etc.

Procesele biotehnologice sunt caracterizate de un grad foarte mare de incertitudine . Cea mai mare parte a incertitudinii este data de faptul ca, in proces, se utilizeaza agenti si materiale de natura biologica. De asemenea, foarte multe variabile importante ale procesului nu pot fi masurate "on line". O masurare sigura, rapida si precisa a cantitatii si activitatii unui agent biologic este inca imposibila. Daca agentul este un microorganism, unele informatii privind starea lui interna ar fi extrem de pretioase, dar acestea sunt mult mai dificil de obtinut. De aceea, parametrii biologici cei mai importanti trebuie sa fie estimati din parametrii fizico-chimici ai procesului .

Agentii influenteaza caracteristicile fizico-chimice ale mediului, iar acestea, la rindul lor, influenteaza agentii procesului. Mai mult, cunoasterea efectelor mediului asupra microorganismelor, precum si a mecanismelor prin care agentii altereaza mediul, este in multe cazuri incompleta. Se poate spune ca identificarea starii unui proces biotehnologic este foarte complexa, adesea imposibila si in unele cazuri nesigura.

Procesele biotehnologice se desfasoara de obicei in bioreactoare. Bioreactorul este o instalatie care poate sa asigure conditiile necesare desfasurării proceselor biotehnologice (de temperatura, agitare, pH, aerare, etc.).

După modul cum se desfăşoară procesul biotehnologic, bioreactoarele se clasifica in:

-bioreactoare discontinue cu amestecare ideala

-bioreactoare continue.

Bioreactoarele continue se pot clasifica la rindul lor in:

-bioreactoare continue cu amestecare ideala

-bioreactoare continue cu deplasare (exemplul tipic - bioreactoarele de tip coloana).

Din punct de vedere sistemic, procesul din bioreactor poate fi reprezentat astfel:

Fig. 2.1 Reprezentarea generala a unui proces din bioreactor

unde:

u(t)-vector de comenzi

y(t)-vectorul marimilor de iesire-masurabile

z(t)-vectorul marimilor de calitate-nemasurabile

v(t)-vectorul perturbatiilor

x(t)-vector de stare

x(0)-starea initiala

Procesul din bioreactor este numai o faza a procesului biotehnologic.

Pe linga aceasta, un proces biotehnologic implica o serie de faze (operatii pregatitoare), evidentiate in figura 2.2 pentru procese discontinue si figura 2.3. pentru bioreactoarele continue. Aceste operatii, care completeaza procesele din bioreactor, au la rindul lor o influenta importanta asupra gradului de incertitudine care caracterizeaza procesele desfasurate in bioreactor (biochimice si microbiologice).