Системы программного обеспечения

Под программным обеспечением подразумевается набор программ и команд, с помощью которых осуществляется управление работой ЭВМ, соответствующих интерфейсов и периферийных устройств. Программное обеспечение является одним из основных компонентов системы ЭВМ—микробиологический процесс. Именно программы определяют работу ЭВМ, а в конечном итоге и ход биопроцесса. От программного обеспечения зависит, какие данные будут отображаться и храниться в памяти ЭВМ и в каком формате, какие команды или вмешательства оператора необходимы или допустимы, а в некоторых случаях, как будет протекать процесс. Если вы имеете опыт работы с системами типа ЭВМ—аппарат или ЭВМ—процесс, то вы должны знать, что необходимым условием успешного функционирования системы являются хорошие программы и что разработка программ может быть самой трудной задачей и самым дорогостоящим элементом при создании системы биопроцесс—ЭВМ.

РИС. 16. Схема ЭВМ, управляющей пилотным биореактором (УПП — устройство построчной печати, ФС — фиксированные соединения, СП — система переключения, Р—распределитель). Контактные сенсоры получают информацию об аналитическом оборудовании и команды от оператора. [Воспроизведено с разрешения из статьи: Meiners М., Rapmundt W., Some Practical Aspects of Computer Applications in a Fermentor Hall; Biotech. Bioeng., 25, 809 (1983).]

Такое соотношение затрат в последнее время усугубляется еще и постоянным снижением цен на ЭВМ. Поэтому как исследователям, так и руководителям предприятий следует тщательно изучать возможности имеющегося программного обеспечения, имея в виду его вероятное использование в других ЭВМ, а также сравнивать цены программного и аппаратного обеспечения ЭВМ и выбирать оптимальный вариант.

Операционная система ЭВМ контролирует выполнение программ, хранение файлов, инвентаризацию и распределение памяти и координирует эти функции. Имеется несколько типов программ для ЭВМ: сервисные программы, выполняющие вспомогательные функции (запуск системы, создание файлов); языковые программы, позволяющие использовать языки более высокого уровня (БЕЙСИК, ФОРТРАН, АПЛ и другие); прикладные программы, предназначенные для выполнения специальных расчетов и других прикладных задач. Некоторые из задач прикладных программ (сбор данных, передача информации оператору, составление отчета) мы уже обсуждали, а другие задачи таких программ (обработка данных, управление процессом) мы рассмотрим в остальных разделах этой главы.

При выборе той или иной конкретной системы аппаратного и программного обеспечения важно учитывать ее способность выполнять несколько задач одновременно и работать в режиме с разделением времени. Если система обладает такой способностью, то она, по сути дела, может выполнять несколько программ одновременно, например определять параметры процесса, анализировать полученные данные и управлять несколькими операциями. Такие системы, кроме того, позволяют записывать новые и отлаживать или модифицировать старые программы, не прерывая управление операциями. Способность ЭВМ решать несколько задач одновременно существенна на втором и третьем уровнях (рис. 14), а специализированные системы сбора и анализа данных на базе микро-ЭВМ (рис. 15) не обязательно должны работать в режиме с разделением времени.

Ознакомившись с основными положениями, касающимися систем процесс—ЭВМ, перейдем теперь к рассмотрению применения ЭВМ и полученных с их помощью данных для изучения состояния биопроцесса и создания условий, обеспечивающих его максимальную производительность.

Анализ данных

Хотя в настоящее время удается измерить лишь ограниченное число параметров системы в биореакторе, все же на основании этих параметров в сочетании с уравнениями общего материального и энергетического балансов и с уравнениями соответствующих математических моделей можно рассчитать значения тех переменных и параметров биопроцесса, которые нельзя наблюдать и измерить непосредственно. Как сказал в 1971 г. Хамфри, совокупность всех результатов измерений открывает «доступ» к другим характеристикам, которые нельзя наблюдать непосредственно. Мы уже говорили, например, что измерение скоростей потоков газа на входе в реактор и выходе из него в сочетании с определением состава газов позволяет вычислить средний коэффициент объемной скорости массопередачи k_la в биореакторе. Суммарные изменения концентраций компонентов системы можно рассчитать с помощью уравнений общего материального баланса для клеточного роста, если известна общая стехиометрия последнего.

На рис. 17 представлена схема, на которой показано, как с помощью непосредственно измеряемых параметров можно рассчитать характеристики процесса, связанные с перемешиванием и аэрацией, клеточным ростом и метаболизмом.

РИС. 17. Результаты непосредственных первичных измерений (показанных в верхней части рисунка) могут служить основой для расчета различных характеристик и параметров процесса. [Воспроизведено с разрешения из работы: Таппеп L. Р., Nyiri L. К., Instrumentation of Fermentation Systems, in Microbial Technology, Peppier H. J., Perlman D. (eds.), 2d ed., vol. II, p. 331, Academic Press, Inc., New York, N. Y., 1979.]

Основной целью разработки методов анализа данных является непрерывное определение концентрации биомассы и удельной скорости клеточного роста в ходе микробиологического процесса. В этом разделе на примере определения концентрации биомассы мы продемонстрируем несколько подходов к анализу данных о системе в биореакторе.