Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Современный уровень биотехнологий, требования предъявляемые к его экономическим параметрам, высокий уровень промышленной и экологической безопасности, которые должны быть обеспечены на биотехнологических предприятиях, предполагают использование новейших методов управления процессом биосинтеза, основанных на глубоком, комплексном понимании процесса, как с точки зрения его физико-химических основ, возможностей биореакторов, так и физиологии микроорганизмов, особенностей метаболизма, базирующихся на возможностях заложенных в геноме целевого штамма-продуцента.
В основе настоящего проекта лежит проблема поиска условий оптимального ведения процесса получения микробного белка на природном газе за счет математического моделирования комплекса сопутствующих физических (гидродинамических, тепломассопереноса и пр.) процессов, протекающих в биореакторе, и создание на их основе многомасштабной комплексной модели процесса биосинтеза (в сотрудничестве со специалистами в области микробиологии). Реализованные на базе цифрового двойника биореактора алгоритмы динамического выбора моделей, релевантных конкретным характеристикам процесса роста бактериальной культуры, массопереноса, гидродинамики, а также конкурентная подстановка релевантных значений в цифровой двойник системы в режиме реального времени, позволят повысить управляемость, точность и эффективность основных и обеспечивающих подпроцессов процесса биосинтеза; достигнуть более высокого уровня утилизации субстрата; снизить затраты энергии на получение продукта; способствовать повышению экологичности процесса; реализовать возможности предиктивного анализа поведения системы, в целом способствуют поддержанию непрерывности и надёжности процесса, в том числе – соблюдению требований технологической безопасности, а также формированию предложений по модернизации технологических решений (например, в части состава минерального питания, контрольно-измерительной аппаратуры, геометрии биореактора.)
В основе наиболее современных методов разработки и масштабирования промышленных химических и биохимических процессов лежит детальное гидродинамическое моделирование, которое используется в качестве основного инструмента для анализа и масштабного переноса экспериментальной информации. В связи с широким использованием двухфазных (газ-жидкость) потоков в различных технических устройствах проблеме математического моделирования и расчета течений такого типа посвящено большое количество российских и зарубежных работ по теоретическим и полуэмпирическим моделям различной сложности, основанными на различных физических моделях течения. Следует отметить сложность моделирования потоков, характеризующихся сильным взаимным влиянием несущей и дисперсной фазы, связанных с большим количеством явлений различной природы (пульсации, обмен импульсом и энергией между фазами, фазовыми переходами, процессами растворения и пузырьковыми эффектами, участки турбулентности). Информация о структуре течения, о его осредненных и пульсационных характеристиках необходима как при численном моделировании и визуализации трехмерной динамики движения дисперсной газожидкостной среды биореакторов, так и для оптимизации и управления динамикой движения гетерогенной среды многофазных движущихся реагирующих турбулентных и ламинарных пузырьковых течений, характеризующих гидродинамическую обстановку и процессы массообмена биореактора. В литературе отмечается, что исследования в этой области до сих пор ведутся преимущественно эмпирическими методами в том числе ввиду отсутствия подходящей теоретической базы, экспериментальных установок и адаптированных программных средств.
Данный проект направлен на разработку комплексной системы управления биореактором на основе верифицированной физико-математической модели и прогнозного модуля интеллектуальной системы автоматизации процесса биосинтеза. В рамках проекта предполагается применение комплексного мультидисциплинарного подхода к изучению проблемы управления процессами массообмена в различных сегментах и полном контуре биореактора (задача 1), проблемы математического описания двухфазной газожидкостной среды и гидродинамических процессов, сопровождающих процесс биосинтеза в реальных системах, включающего аналитические и численные решения систем уравнений (задача 2) с применением суперкомпьютерных вычислений, а также направленных, в конечном итоге, на разработку экспертного модуля системы управления биореактором (задача 3), обеспечивающего оптимальное предиктивное управление ключевыми параметрами процесса биосинтеза, включающего автоматизированную коррекцию параметров с целью стабилизации и оптимизации работы биореактора, повышения энергоэффективности и безопасности системы в целом.
Результаты работы над настоящим проектом, разработанные методы и подходы смогут послужить мощным исследовательским заделом для математического моделирования многофазной гидродинамической обстановки в контуре биореакторов, реализующих аэробные процессы биосинтеза и стать основой для построения цифрового двойника линейки разрабатываемых промышленных биореакторных установок.
Проект соответствует целям СП-4 и КБК 0708 "Прикладные научные исследования в области образования" и нацелен на:
- развитие в УрФУ кадрового потенциала науки, поддержка молодых исследователей, обеспечение массовой вовлеченности ППС в исследовательскую и инновационную деятельность в интересах предприятий региона и базовых отраслей РФ;
- привлечение в УрФУ на работу эффективных российских и иностранных исследователей, как ведущих, так и молодых.