Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнологические процессы и биореакторы разработка и проектирование. Учебное пособие.pdf
31
2. ЭКСПЕРИМЕНТ – ОСНОВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
При разработке биотехнологического процесса обычно используют-
ся опытные данные, собранные при обследовании действующих биотехнологических производств, информация, почерпнутая из литературы,
и результаты предпроектных научных исследований, проводимых экспериментальным методом в лабораторных и опытно-промышленных услови-
ях. После предварительного анализа возможных вариантов концепции метода производства (биотехнологии) выбирается наиболее многообеща-
ющий метод и проводятся исследования, связанные с экспериментальной
проверкой концепции и определением оптимальных режимов функционирования БТП по стадиям биотехнологического производства.
2.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
В основе метода экспериментального исследования находится науч-
но поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми исследователем условиями. В научном методе термин «эксперимент» относится
к систематической постановке опытов и наблюдению за исследуемым
явлением в контролируемых условиях. Эксперименты позволяют исследователям изучать причинно-следственные связи БТП путем проверки
выдвигаемых гипотез и выявления свойств исследуемых биологических
объектов.
32
Характеристики эксперимента. К ключевым характеристикам
эксперимента относятся:
– научная постановка: эксперимент должен быть спланирован
и проведен в соответствии с научными принципами, включая контроль
переменных и использование надлежащих методов сбора, анализа и обработки получаемых данных;
– контролируемые условия: эксперимент проводится в условиях,
которые можно контролировать и воспроизводить, позволяя изолировать
и изучать конкретные технологические процессы и переменные его
состояния;
– наблюдение: исследователи наблюдают и регистрируют изменения в исследуемом явлении при изменении контролируемых условий;
– повторяемость: эксперимент должен быть возможен для повторе-
ния другими исследователями при использовании тех же условий и методов, что повышает надежность и достоверность его результатов.
Цели эксперимента. Основная цель эксперимента – углубленное
изучение предмета исследования путем:
– выявления свойств и характеристик исследуемых объектов;
– проверки справедливости выдвигаемых гипотез;
– установления причинно-следственных связей, исследуемых БТП.
Постановка эксперимента. Постановка и организация эксперимента
определяются его назначением и могут варьироваться в зависимости
от конкретного исследования. Исследователи должны учитывать следующие факторы:
– выбор независимых (входных) и зависимых (выходных) переменных;
– установление контрольной группы для сравнения;
33
– обеспечение достаточного размера выборки экспериментальных
данных для оценки статистической значимости;
– использование соответствующих измерительных инструментов и
методик.
Проведение тщательных и хорошо спланированных экспериментов
имеет решающее значение для продвижения научного знания и понимания
механизма БТП. Эксперименты классифицируются:
– по способу формирования условий (естественный и искусственный);
– по организации проведения (лабораторные, натурные, производственные и т.п.);
– по контролируемым величинам (активный и пассивный);
– по числу варьируемых факторов (одно- и многофакторный).
Лабораторный эксперимент проводится с применением типового
лабораторного оборудования и приборов, экспериментальных стендов,
пилотных установок и т.д. в лабораторных условиях. Чаще всего в лабора-
торном эксперименте изучается не сам объект, а его физическая модель.
Этот эксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторяемостью изучить влияние определенных характеристик (путем их варьирования) на эффективность функционирования биотехнологического процесса,
тем самым получить необходимые экспериментальные данные. Ясно, что
такой эксперимент не в полном объеме моделирует реальный ход изучае-
мого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного
эксперимента.
Натурный эксперимент проводится на реальных объектах в опытно-
промышленных условиях. Он широко используется в биотехнологии для
тестирования и оценки созданных биотехнологических систем перед их
внедрением в промышленное производство.
34
Характеристики натурного эксперимента. Ключевые характеристики натурного эксперимента включают:
– реальные объекты и условия: эксперимент проводится на факти-
ческих объектах и в условиях, максимально приближенных к тем, в которых будет работать проектируемая биотехнологическая система;
– пилотный масштаб: эксперимент обычно проводится на пилотной
установке, что позволяет протестировать систему в условиях, близких
к промышленным;
– тщательное планирование: натурные эксперименты требуют
тщательного планирования и продумывания, поскольку они часто сопряжены с высоким уровнем сложности и затрат.
Научная проблема натурного эксперимента. Основной научной
проблемой натурного эксперимента является обеспечение соответствия
условий однозначности эксперимента и реальной ситуации. Это означает,
что условия эксперимента должны быть тщательно контролируемыми,
воспроизводимыми и обеспечивающими достоверность и надежность
получаемых результатов.
Преодоление научной проблемы. Разрешение научной проблемы
обеспечивается путем выбора соответствующих методов исследования и
сбора данных; репрезентативности выбранных объектов и условий экспе-
римента; контроля и минимизации влияния внешних факторов на результаты эксперимента.
Натурные эксперименты играют важную роль в биотехнологии,
поскольку они позволяют исследователям и инженерам изучать и оптими-
зировать биотехнологические системы в условиях, максимально приближенных к реальным.
35
Рис. 2.1. Схема эксперимента:
– табличные экспериментальные данные
Это помогает обеспечить успешное внедрение и масштабирование
этих систем для коммерческого использования. Схематично создаваемый
БТП показан на рис. 2.1, где и – входная (независимая) и выходная
(зависимая) переменные состояния БТП; – случайная помеха, влияющая
на ; – исследователь.
Исследователь осуществляет некоторое экспериментальное воздействие, обозначаемое как , и фиксирует реакцию БТП
. При много-
кратном проведении эксперимента с различными значениями
,
исследователь получает соответствующие выходные данные
. Итоговые результаты эксперимента систематизируются
в виде числовой таблицы (рис. 2.1), графика или в обобщенной записи
, представляющей табличное отображение данных.
По окончании эксперимента исследователь приступает к анализу по-
лученной экспериментальной информации с целью ответить на два ключевых вопроса:
– какова будет выходная реакция БТП при заданном
;
– каков механизм преобразования
в
?
Поиск ответа на первый вопрос включает в себя задачу прогнозиро-
вания значений выходной переменной при известных из диапазона
36
значений экспериментальных данных
. Установление
такой экспериментальной зависимости
позволяет планировать
действия БТП или проектировать аналогичные системы. Более того, зави-
симость
служит исходными данными для создания прогностических
математических моделей вида , где – вектор эмпирических
параметров.
Ответ на второй вопрос рассматривает проблему выявления меха-
низма, по которому происходит преобразование в
. Решение этой
задачи значительно сложнее, чем первой. Для достижения результата
необходимо выдвинуть теоретическую гипотезу и затем провести анализ
полученных экспериментальных данных, что позволяет сделать одно
из двух утверждений:
1) отсутствуют основания для отказа от гипотезы;
2) отсутствуют основания для ее подтверждения.
Итак, объяснив необходимость получения экспериментальных дан-
ных
для решения первой и частично второй задач, перейдем
к краткому сравнению достоинств (+) и недостатков (–) экспериментального метода исследования БТП.
(+): проведение эксперимента требует минимального объема знаний
у исследователя; полученные результаты
наиболее достоверны
для данного БТП, так как учитывают его индивидуальные особенности;
эксперимент является быстрым способом познания функционирующего
и создаваемого БТП; при активном эксперименте (когда
создает
исследователь) можно планировать опыт в целях быстрого (или экономич-
ного) получения или минимизации числа проводимых опытов
.
37
(–): эксперимент нельзя проводить на потенциально опасных объек-
тах, а также на очень быстрых или очень медленных БТП; полученные
на
результаты
нельзя переносить на другие даже однотип-
ные (родственные) объекты; результаты эксперимента
искажены нало-
жением случайной помехи , что снижает их ценность и требует при значительном уровне помехи дополнительной математической обработки.
Основное направление эксперимента заключается в исследовании
свойств биотехнологического процесса (БТП), верификации гипотез
о механизмах, лежащих в основе биохимических реакций, и в конечном
счете в более глубоком понимании исследуемого БТП. На начальной
стадии, наблюдая за поведением объекта или развитием явления, исследователь формирует предположения о наличии определенных взаимосвязей
и закономерностей в БТП. На завершающем этапе определяются переменные – факторы, влияющие на свойства БТП и вид их взаимосвязи, выдвигается гипотеза о механизме, био-, физико-химической и математической
моделях проектируемого БТП.
В зависимости от выбранной математической модели разрабатывает-
ся план проведения эксперимента. Успех исследований во многом зависит
от того, насколько правильно будет спланирован этот эксперимент.
Правильно составленный план позволяет не только сократить количество
испытаний, но и минимизировать влияние неучтенных и неконтролируе-
мых факторов. Проектные решения в разработке БТП и оценка их качества
основываются в основном на данных, полученных в ходе эксперимента.
Таким образом, в условиях ограниченных ресурсов задача извлече-
ния максимального объема информации посредством экспериментального
исследования БТП становится особенно актуальной. Это достигается
благодаря активному применению статистических методов планирования
38
экспериментов, которые не только позволяют обрабатывать экспериментальные данные, но и способствуют оптимальной организации самого
эксперимента. Обучение и внедрение методов планирования эксперимен-
тов способствуют повышению эффективности принятия решений при разработке и проектировании новых БТП. Вопросы планирования экспери-
мента и математической обработки его результатов становятся все более
важными для студентов старших курсов, аспирантов и инженеров, что
подчеркивает их значимость в современных научных исследованиях.
Более подробно методы и алгоритмы планирования и оптимизации
эксперимента описаны в литературе [17 – 19]. Наша же цель заключалась
только в том, чтобы показать важное значение и практическую выгоду
использования «стратегии экспериментального исследования» при разработке и проектировании новых БТП.
Анализ и представление результатов эксперимента. Точность
результатов, получаемых исследователем в ходе эксперимента, обозначае-
мых как
зависит не только от качества измерительной
аппаратуры и внешних условий, но и от правильности организации самого
эксперимента. Например, на достоверность данных может
существенно повлиять количество повторных измерений
для фиксированных значений переменной
состояния
БТП. При исследовании сложных БТП важно учитывать, что
любая физическая теория представляет природные явления в определенном приближении. Это означает, что исследователь может упускать
из виду некоторые аспекты и «тонкие» особенности изучаемого БТП.
Ввиду этого приближенного характера моделей невозможно определить
истинные значения физических величин с абсолютной точностью.
39
В научном эксперименте мы зачастую и не стремимся получить точ-
но известное значение измеряемой величины. Гораздо важнее оценить:
а) на сколько результат отличается от истинного значения;
б) какова вероятность того, что при повторном проведении экспе-
римента будет получен аналогичный результат.
Следовательно, значения физических величин, полученные в процес-
се исследования, всегда подвержены ошибкам и должны быть представлены с указанием соответствующей погрешности. Основная задача заклю-
чается в минимизации этих погрешностей и обеспечении надежного их
расчета [33, 34].
Ошибки измерений. Величины, которые исследователь применяет
в расчетах, являются результатом измерения при проведении эксперимен-
тов. Поэтому он не знает точных значений этих величин, а оперирует лишь
приближенными их значениями, содержащими некоторую ошибку измерения. Проводя расчеты, нужно знать погрешность измерения, чтобы
определить, какая ошибка может быть совершена и иметь возможность эту
ошибку учесть.
Различают два рода ошибок измерения. Систематическая ошибка
обусловлена погрешностями измерительных устройств или неправильной
методикой проведения измерений; систематическую ошибку можно компенсировать, вводя в расчет результата измерения соответствующие
поправки.
Случайная ошибка зависит от точности применяемого способа изме-
рения и умения исследователя. Измеряя одну и ту же величину всегда оди-
наковым способом, исследователь получает вследствие случайных ошибок
разные результаты; при этом случайную ошибку нельзя исключить,
40
используя поправки. Все дальнейшие рассуждения будут касаться случайных ошибок.
Если исследователь выполнил повторных измерений некоторой
выходной переменной
состояния БТП, найдя их значения
, то среднее арифметическое этих значений для
вычисляется по формуле
,
,
и будет приблизительно равняться измеренной величине, т.е.
,
где
– истинное значение измеряемой величины, которое остается неиз-
вестным исследователю. В этом контексте абсолютная ошибка i-го изме-
рения величины определяется как модуль разности:
,
.
Также стоит отметить, что абсолютная ошибка
остается неопре-
деленной. Задача теории ошибок заключается в том, чтобы на основе
результатов измерений
, , оценить как искомую вели-
чину , так и саму погрешность
.
Относительная погрешность i-го измерения
выражается как
отношение абсолютной погрешностик модулю измеряемой величины
и обычно представляется в процентах:
.
Относительная погрешность – это безразмерная величина, которая
позволяет сравнивать погрешности измерений для величин различного
масштаба.
В экспериментальной практике случайные факторы могут вызывать
разброс результатов измерений. Влияние этих факторов может варьиро-