ВВЕДЕНИЕ
Важнейшей задачей производства продуктов питания в условиях жёсткой конкуренции является получение готового продукта заданного качества с гарантированной безопасностью для конечного потребителя при условии минимизации затрат.
Решение данной проблемы связано с разработкой математических моделей, алгоритмов и комплексов программ с целью оптимизации технологических режимов и рецептур, обеспечения оптимального управления технологическими процессами.При производстве мясных сырокопчёных продуктов на производительность технологических установок и на качество готовых изделий существенное влияние оказывают микробиологические процессы, протекающие на различных этапах обработки животного биосырья. Однако рассмотрение в качестве решающего фактора развития одной популяции микроорганизмов не позволяет решить задачи обеспечения биологической безопасности, так как в реальных условиях микробиоценозы исходного сырья, технологических сред и готовых продуктов включают в себя множество популяций, которые в различных вариантах взаимодействуют друг с другом. Повышение эффективности этого взаимодействия и является тем средством оптимизации процессов, которое позволяет при заданном уровне качества и безопасности для потребителя обеспечить максимальную производительность.
Традиционный путь решения подобных задач, основанный на проведении натурных экспериментов, приводит к значительным временным и материальным затратам. Существенное снижение числа необходимых экспериментов возможно в случае применения компьютерных технологий, позволяющих заменять реальные объекты математическими моделями, адекватно отражающими наиболее важные закономерности исследуемых явлений.
Таким образом, применительно к мясным сырокопчёным продуктам весьма актуальной является задача имитационного моделирования взаимодействия популяций микроорганизмов, как средство диагностики и прогно-
зирования развития микробиоценозов.
Решение этой задачи позволит реализовать оперативное управление процессами производства и оптимизацию технологических параметров в режиме реального времени, а также откроет возможности к созданию систем автоматизированного проектирования штаммов микроорганизмов с целью получения продуктов с заданными свойствами.Целью проведенной работы является разработка математических моделей и комплекса программ имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов в технологиях производства сырокопчёных колбас для обеспечения их стабильного качества и биологической безопасности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение структуры и состава микробиоценозов при производстве сырокопчёных колбас с целью классификации и формализации механизмов взаимодействия популяций микроорганизмов на основе графово-матричных представлений;
- анализ основных факторов, определяющих развитие и взаимодействие популяций микроорганизмов в составе микробиоценозов;
- изучение, анализ и разработка комплекса математических моделей динамики взаимодействия популяций микроорганизмов применительно к технологиям производства сырокопчёных колбас;
- разработка алгоритмов, структур данных и комплекса программ имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов;
- разработка экспертной системы имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов и оценка адекватности результатов компьютерного эксперимента с результатами производственных экспериментов.
В связи с вышесказанным нами была принята схема исследований представленная ниже на рис.1.
Сбор сведений об объекте: процессы, параметры, закономерности развития, приоритетные направления исследований
Обработка экспериментальных данных
Обзор литературных источников, Интернет
Параметрические модели биотехнологических процессов
|
1 Математические мод микробиологе^ |
*ели биохимических и [еских процессов |
|
gt; |
|
|
Банк математических моделей |
|
|
|
|
|
Планирование и проведение эксперимента |
|
|
|
|
|
Оценка адекватности моделей |
|
Численные методы, алгоритмы, комплексы программ
Экспертная система имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов
Прогнозирование вариантов развития микробиоценозов
Оптимизация технологических параметров формирования микробиоценозов
Синтез оптимальных штаммов микроорганизмов при проектировании стартовых культур с заданными свойствами
Рис. 1.
Схема исследований.
На основе проведённых исследований получены следующие научно-практические результаты: Разработана обобщённая параметрическая модель процессов биотехнологической обработки при производстве сырокопчёных колбас в соответствии со структурой жизненного цикла и функций микробиоценозов.
Разработана параметрическая модель развития микробиоценозов в технологиях переработки биосырья без учёта взаимодействия популяций микроорганизмов.
Классифицированы варианты и механизмы взаимодействия популяций микроорганизмов на графово-матричном уровне.
Разработаны обобщённые математические модели динамики взаимодействия популяций микроорганизмов.
Разработаны алгоритмы формирования имитационных моделей динамики взаимодействия популяций микроорганизмов с учётом влияния характеристик биотехнологического процесса на параметры моделей.
Сформирован банк математических моделей, позволяющий реализовать любой вариант взаимодействия популяций микроорганизмов в режиме компьютерного эксперимента с учётом оценки реальной технологической ситуации в производстве сырокопчёных колбас.
Сформирована организационная структура экспертной системы имитационного моделирования динамики взаимодействия популяций микроорганизмов «Biomod», включающая в себя возможность диагностирования и прогнозирования развития микробиоценозов с учётом показателей качества готового продукта.
Разработан алгоритм программного комплекса экспертной системы «Biomod», обеспечивающий возможность использования её для целей оперативного управления технологиями производства сырокопчёных колбас в режиме имитационного моделирования.
Реализован макетный вариант экспертной системы, позволяющий обеспечить интегрированную обработку информации на базе компьютерного комплекса в сочетании с современными инструментальными средствами контроля основных параметров производства сырокопчёных колбас.