Výsledky výzkumu

Řídicí systémy bioreaktorů

Za dobu existence LŘB jsme realizovali několik řídicích systémů bioreaktorů:

  1. řídicí systém CHP 3000 na SAPI 1 s mikroprocesorem Intel 8080,
  2. programové vybavení průmyslového řídicího systému CHEPOS 150 (pouze anglicky),
  3. BIOGENES – znalostní řídicí systém (implementace ve vývojovém prostředí Genesis),
  4. BIOGENES – znalostní řídicí systém (implementace ve vývojovém prostředí InTouch).
  5. BIOGENES II – multiagentní znalostní řídicí systém.

První znalostní řídicí systém BIOGENES© byl výsledkem řešení mezinárodního výzkumného úkolu Knowledge-Based Control and Operation of Industrial Productive Bioprocesses programu Evropské unie COPERNICUS. Byl vyvinut pro řízení a ovládání dávkových a přítokových bioprocesů v bioreaktorech, jak v laboratorním tak i v průmyslovém měřítku.

Systém je tvořen dvěma hierarchicky uspořádanými úrovněmi. Základní úroveň klasického řízení realizuje všechny standardní úlohy řízení od sběru dat přes vizualizaci a přímé číslicové řízení až po archivaci dat. Nadřazená úroveň pro expertní dohlížecí řízení pak uskutečňuje pokročilé úlohy klasifikace metabolických stavů a odvozování rad operátorovi, které se týkají výběru nejvhodnější řídicí strategie a změn žádaných hodnot či akčních veličin.

Znalostní dohlížecí řídicí úroveň je tvořena expertním systémem, který umožňuje využívat k řízení i tzv. heuristické (obtížně matematicky popsatelné) znalosti mikrobiologů, biotechnologů a operátorů konkrétního procesu. Je založena na fyziologickém modelování a řízení, které spočívá v rozdělení chování kultury do několika hlavních metabolických stavů a trvání celé kultivace do několika provozních fází. Výběr vhodné řídicí strategie nebo její modifikace (úprava profilu žádané či akční veličiny) pak závisí na okamžitém odhadu metabolického stavu, aktuální fázi procesu i dostupnosti měření. Fyziologické řízení tak umožňuje komplexní posuzování okamžitých charakteristik kultury a rozhodování o nejvhodnějším následném vedení procesu podle těchto informací.

Systém BIOGENES byl realizován ve vývojovém prostředí Genesis od firmy Iconics (USA) a byl využíván pro výzkum metod řízení následujících procesů:

  1. výroba pekařského droždí (růst mikroorganismu Saccharomyces cerevisiae) na melasové zápaře,
  2. biosyntéza ergosterolu (provitamínu D2) užitím mikroorganismu Saccharomyces cerevisiae,
  3. příprava xylitolu (nekalorické sladidlo) užitím mikroorganismu Debaromyces hansenii.

Podrobnější představu o funkcích a možnostech původního systému si lze udělat z komunikace operátora se systémem BIOGENES©

Tento řídicí systém byl rovněž prezentován ve stánku VŠCHT na veletrhu CHEMTEC Praha '98

Systém se postupně vyvíjel s přeprogramováním na novou platformu InTouch firmy Wonderware až k současné multiagentní verzi BIOGENES II, která je tvořena distribuovanou realizací na síti počítačů.

Základní úroveň řízení v reálném čase jako měření, převod na fyzikální jednotky a regulace zabezpečuje programovatelný automat Compact, vizualizace je realizována v prostředí InTouch s aplikací Aktive Factory, všechna data jsou ukládána do databáze reálného času Wonderware Historian, s níž komunikují též jednotlivé agenty provozované na samostatných počítačích. Agenty jsou např. expertní systém Bioclips, průběžný estimátor metabolických stavů v Matlabu, nebo agent zpracování HPLC chromatogramů. Vrstva agentů představuje znalostní řídicí úroveň systému.

Systém BIOGENES II umožnil výzkum těchto procesů:

  1. výroba extracelulárního biopolymeru xanthan gum užitím mikroorganismu Xanthomonas campestris,
  2. výroba intracelulárních mcl-PHA biopolymerů užitím mikroorganismu Pseudomonas putida.

Zavádění automatizace v cukrovarech

Naše spolupráce s cukrovarnickým průmyslem se datuje již od 80. let minulého století. V podstatě na koleně jsme navrhli a vyrobili řídicí mikropočítač (hardware i software), který jsme jako první v Československu úspěšně použili k řízení výrobní linky v cukrovaru v Lovosicích.

Od počátku devadesátých let byly již dostupné komerční řídicí systémy a bylo tak možné řešit průmyslové aplikace na profesionální úrovni a realizací, kterých jsme se zúčastnili, byla celá řada. Jako příklady lze uvést:

  1. řízení varny v procesu krystalizace cukru v cukrovaru v Lovosicích a
  2. čistírna odpadních vod v cukrovaru v Uničově.

Matematické modely technologických procesů

Práce v tomto okruhu problematiky je zaměřena na vytváření matematických modelů, které jsou jednoduché, ale zároveň dostatečně přesné k tomu, aby byly použitelné k ověřování různých technologických variant, k předvídání chování procesů a k jejich řízení.

Jako příklad lze uvést model výroby pekařského droždí. Jedná se o přítovou kultivaci Saccharomyces cerevisiae, při které je řízeno dávkování živin a chlazení bioreaktoru. Cílem simulací je sledování výtěžnosti a doby trvání procesu při různých způsobech jeho vedení.

Na této problematice pracujeme již několik let. Jedním z výstupů výzkumu je vytvoření elektronické učebnice Modelování bioprocesů, ve které jsou popsány principy vytváření matematických modelů a simulace procesů z oblasti biotechnologií, technické mikrobiologie, ekologie a farmakokinetiky.

Zpracování dat

V oblasti zpracování dat byl vytvořen nástroj Grafické uživatelské rozhraní pro vizuální analýzu stavů fermentačních procesů, což je aplikace pro identifikaci a vizualizaci vícerozměrných dat z biochemických procesů. Nástroj podporuje zobrazení dat v časové oblasti v kombinaci s 3D vizualizací trajektorie procesu získané analýzou hlavních komponent (PCA) vybraných fyziologických stavových veličin. Aplikace dále umožňuje vizualizaci klasifikace procesních stavů a také umožňuje jejich novou klasifikaci pomocí center zadaných v prostoru těchto stavů.




Záhlaví stránky

Laboratoř řízení bioprocesů

Laboratoř řízení bioprocesů

Logo VŠCHT Praha - stylizovaná kádinka na červeném pozadí – VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE

Logo ÚPŘT – modrý šestiúhelník s červeným artefaktem uvnitř – ÚSTAV POČÍTAČOVÉ A ŘÍDICÍ TECHNIKY