Биотехнологиялық процестерді моделдеу

Әр түрлі процестерді модельдеу ғылым, техника және технология салаларында бұрыннан қолданылады. Популяция дамуының алғашқы үлгілерінің бірі болып 1202 жылы Фибоначчи «есеп туралы трактатта» сипатталған қоян басының даму моделін есептеуге болады. Бұл модель дискретті, яғни белгілі бір дискреттер – интервалдар арқылы модельдеуші функцияның мәнін тіркейтін. Жалпы жағдайда параметрлер арасындағы өзара байланысты сипаттайтын барлық математикалық өрнектер белгілі бір процестердің модельдері деп санауға болады. Модель-бұл Аргументтің белгілі мәндері бойынша функцияның мәнін қалпына келтіруге немесе болжауға мүмкіндік беретін ықшам ұйымдастырылған ақпарат. Бұл қасиет зерттеушілердің назарын аударады. Болжаудың таза утилитарлы мәселелерінен басқа, математикалық модель зерттеу тәжірибесінде тағайындау құралы бола алады. Математикалық модель модельдеу жүйесіне факторлардың әсер етуінің әртүрлі нұсқаларын жылдам жоғалтуға және оның мінез-құлқын болжауға мүмкіндік береді. Модельделетін объектінің мінез-құлқын адекватты сипаттайтын жақсы пысықталған модель іздеу стратегиясын әзірлеуде және аз уақыт жоғалтумен зерттеу жұмыстарының нәтижесін алуда баға жетпес көмек көрсете алады. Математикалық модель құру бақылаудан немесе эксперименттен анықталуы мүмкін жүйе параметрлерінің кейбір жиынтығын білуді талап етеді. Модельмен жұмыс істеу жүйелендіруді, ал жиі жаңа әдістемелерді қолдануды және эксперименттерді қоюды талап етеді. Модельдеудің барлық процесі үлгіні құрудан оның көмегімен болжанған нәтижелерді тексеруге дейін зерттеудің Мұқият пысықталған стратегиясымен және пайдаланылатын эксперименталды деректерді қатаң тексерумен байланысты болуы тиіс.

Барлық параметрлер мен факторларды ескеретін кинетикалық модель құру мүмкін емес болғандықтан, тапсырманы жеңілдетуге мүмкіндік беретін бірқатар жақындауларды пайдаланады. 1) ортаның бір компонентін қоспағанда, қалғандары жоғары концентрацияларда болуына және олардың өзгерістері процестердің жалпы жылдамдықтарында көрсетілмеуіне жол береді. Жетіспеушілікте болатын Компонент жасушалық өсуді шектейтін (шектейтін) деп аталады. Орта құрамының жасушалардың өсу кинетикасына әсерін талдау кезінде тек осы компоненттің шоғырлануын ескереді. 2) биореакторларды бақылау және реттеу жүйелері ортаның бірқатар параметрлерін (рН, температура, оттегінің концентрациясы) тұрақты деңгейде ұстап тұруға мүмкіндік береді. Клеткалық фазаны Математикалық талдау кезінде қолданылатын негізгі жақындаулар мен сипаттау тәсілдері 3-суретте көрсетілген. Микробиологиялық жүйелерді талдау тәсілдері жасушаларды сипаттау кезінде пайдаланылатын компоненттер санына сәйкес, сондай-ақ жасушалардың әртүрлі объектілердің гетерогенді популяциясы ретінде қарастырылуына немесе кейбір орташаланған жасушалардың популяциясы ретінде (яғни жасушалар ерітіндінің қандай да бір компонентінен ерекшеленбейді). Жасушалардың көп компонентті модельдері құрылымдалған, ал бір компонентті – құрылымсыз деп аталады. Олардың гетерогендігін ескере отырып, жасушалар популяцияларының сипаттамасы сегрегирленген тәсіл деп аталады, ал реттелмеген жағдайда – жасушалардың орташаланған қасиеттерін ғана қарастырады. Нақты жағдай құрылымдалған сегрегацияланған жүйеге жауап береді. Мұндай модельдер стохастикалық ықтималдық теңдеулермен сипатталады. Егер жасушалардың гетерогендігі зерттелетін процестердің кинетикасына елеулі дәрежеде әсер етпесе, онда «орташаланған» жасушаның жақындауын қабылдауға болады. «Теңдестірілген өсу» жағдайында жасушалардың орташа құрамы тұрақты. Сондықтан жасушалардың көп компонентті табиғатын ескермеуге болады.

Қазіргі уақытта компьютерлік модельдеу тек техникалық саланың ғана емес, сонымен қатар адами қызметтің барлық түрлерінің ажырамас бөлігіне айналды. Алайда, бұл термин әзірше жалпы қабылданған формальды анықтамаға ие емес және оның шекарасы мағыналық тұрғыдан әлі анық көрінген. Мұндай жағдай кез келген ғылыми бағыт үшін оның қалыптасуы мен жылдам дамуы тоғысқан. Компьютерлік моделдеуді таным, талдау және синтездің ең қуатты әдістері мен құралдарының бірі ретінде қарастыруға болады, онда күрделі техникалық құрылғылар мен технологиялық объектілерді (мысалы, процестер, аппараттар мен биотехнология жүйелері) әзірлеуге және жұмыс істеуіне жауапты мамандар бар. Бұл ретте зерттеушіде нақты объектіде мұны іс жүзінде мүмкін емес немесе орынсыз болған жағдайларда да объектінің үлгісімен тәжірибе жасау мүмкіндігі пайда болады. Биотехнологиялық объектілерді талдау және синтездеу міндеттерін шешуге заманауи кибернетикалық тәсілдің негізін жүйелік талдау құрайды. Жүйелік талдаудың мәні оның стратегиясымен анықталады, оның негізінде кез келген жүйелік міндетті шешуге қолданылатын жалпы қағидаттар жатыр.

Оларға жатқызуға болады:

1) зерттеу мақсатын нақты тұжырымдау, берілген мақсатқа жету бойынша міндет қою және міндеттерді шешу тиімділігінің критерийін анықтау;

2) міндеттерді шешудегі негізгі кезеңдер мен бағыттарды көрсете отырып, зерттеудің кеңейтілген стратегиясын әзірлеу: өзара байланысты кезеңдер мен ықтимал бағыттарды бүкіл кешен бойынша дәйекті-параллель жылжыту; жекелеген кезеңдерде жүйелі жақындаулар мен зерттеулердің қайталама циклдарын ұйымдастыру; құрамдас жеке міндеттерді шешу кезінде талдаудың төмендеу иерархиясы және синтездің жоғары иерархиясы қағидаты. Бұл ретте жүйенің формализациясы Шығыс айнымалы жүйесінің, оның ішкі параметрлері мен кіріс айнымалы, оның ішінде басқарушылар мен ұйытқыштардың арасындағы байланысты көрсететін математикалық модельдің көмегімен жүзеге асырылады. Математикалық модельдеу әдістемесі үлгілерді мұқият өңдеуді көздейді. Қолданбалы биотехнологиялардың, икемді автоматтандырылған өндірістік жүйелер мен құрылғылардың және басқа да тез дамып келе жатқан ғылымды қажетсінетін салалардың дамуы әзірленетін және пайдаланылатын техникалық құрылғылардың, биотехнологиялық процестердің, аппараттар мен жүйелердің одан әрі күрделенуіне алып келді. Оларды тәжірибелік өңдеу уақыт пен материалдық ресурстардың барлық үлкен шығындарын талап ете бастады,ал кейбір жағдайларда оны өткізу толық көлемде қолайлы шешімі жоқ проблемаға айналды. Бұл жағдайда осындай құрылғылардың, технологиялардың және жүйелердің сипаттамаларын есептік-теориялық талдаудың мәні айтарлықтай өсті. Бұған есептеу техникасы мен сандық әдістерді жетілдіруде серпіліс де ықпал етті, ол жадының феноменалды көлемі мен арифметикалық операцияларды орындау жылдамдығы бар қазіргі заманғы ЭЕМ-нің пайда болуына әкелді. Нәтижесінде компьютерлік модельдеуді (математикалық модельдеу және есептеу эксперименті) құру және тез дамыту үшін тек техникалық құрылғыларды, технологиялық процестерді, аппараттар мен биотехнология жүйелерін өңдеу сатысында есептік-теориялық сүйемелдеу ретінде ғана емес, оларды жобалау, оларды пайдалану режимдерін таңдау және оңтайландыру, сенімділік талдау және істен шығулар мен авариялық жағдайларды болжау кезінде, сондай-ақ техникалық құрылғылардың, технологиялық процестердің сипаттамаларын жылдамдату және жаңғырту мүмкіндіктерін бағалау кезінде материалдық база пайда болды., және биотехнология жүйелері. Биотехнологиялық жүйелерді компьютерлік модельдеу ақпараттық белгісіздік көрсеткіштерін ескере отырып, компьютерлік модельдерді әзірлеудің әдіснамасына, технологиясына және алгоритміне негізделеді; модельмен компьютерлік эксперимент жүргізуді ұйымдастыру және нәтижелерді мультимедиялық ұсыну; микро және макродеңгейлердегі себеп-салдарлық байланыстарды компьютерлік талдау және жүйелердің эволюциясының жай — күйін диагностикалау және болжау мәселелерін қамтитын зияткерлік үлгілеу ережелерін дамыту.; жедел басқару режимінде оңтайлы шешім қабылдауға мүмкіндік беретін биотехнологиялық жүйелердің негізгі элементтерінің жұмыс істеу динамикасын қадағалау.

Компьютерлік моделдеу нақты объект (жүйе) моделін құрастыру және осы модельде есептеу эксперименттерін қою немесе осы жүйенің мінез — құлқын түсіну (зерттеу), немесе компьютерлерде іске асырылатын есептеу-логикалық алгоритмдердің көмегімен оның жұмыс істеуінің әр түрлі стратегияларының (алгоритмдерінің) тиімділігін бағалау мақсатында үрдісті білдіреді. Осылайша, компьютерлік модельдеу процесі модельді құрастыруды және оны қойылған міндетті шешу үшін қолдануды қамтиды: биотехнологиялық процестерді, аппараттар мен жүйелерді талдау, зерттеу, оңтайландыру немесе синтездеу (жобалау).

Қазіргі заманғы интерфейс құралдары ЭЕМ — мен диалог жүргізуге мүмкіндік береді-баламаларды талдау, гипотезаларды тексеру, математикалық модельдермен тәжірибе жасау. Компьютерлік модельдеудің мүмкіндіктерін практикалық іске асыру инженерлік әзірлемелердің тиімділігін, әсіресе технологиялық машиналар мен аспаптардың, материалдар мен технологиялардың прототиптері жоқ, принципті жаңаларын жасау кезінде айтарлықтай арттырады, бұл техника мен технологияларда физика, химия, механика және басқа да іргелі ғылымдардың озық жетістіктерін пайдалануға арналған Уақыт пен құралдардың шығындарын қысқартуға мүмкіндік береді. Компьютерлік модельдеудің белгіленген мүмкіндіктері әлі де таусылған жоқ, жеткілікті перспективалы болып табылады және сондықтан егжей-тегжейлі қарауға лайық.

Басқа да ұқсас мәліметтер

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *