Opis problemu
Bioreaktory to urządzenia wykorzystujące mikroorganizmy do produkcji wartościowych związków lub neutralizacji substancji toksycznych. Projektowanie tych urządzeń opiera się na modelach matematycznych, które opisują zjawiska zachodzące wewnątrz aparatu. Inżynierowie wykorzystują modele matematyczne do optymalizacji procesów przemysłowych, ponieważ umożliwiają one określenie parametrów zapewniających maksymalną wydajność produkcji.
Podejście
Modele matematyczne można podzielić na kilka typów w zależności od ich przeznaczenia. Modele CFD (Computational Fluid Dynamics) służą do szczegółowego opisu zachowania cieczy i są zazwyczaj wykorzystywane do analizy rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń (np. wpływ konstrukcji mieszadła na powstawanie stref martwych). Inną grupę stanowią modele oparte na równaniach różniczkowych. Podejście to stanowi kompromis między poziomem szczegółowości a praktycznością, co czyni je popularnym wyborem w rozwiązywaniu rzeczywistych problemów. Na podstawie tego podejścia opracowaliśmy modele dla reaktorów przepływowych z mieszaniem ciągłym (CSTR) oraz reaktorów rurowych.
Wyniki
Na podstawie opracowanych modeli zoptymalizowaliśmy pracę bioreaktorów. Jednym z zaprojektowanych rozwiązań była metoda rozruchu bioreaktora, która pozwala na kilkukrotne skrócenie czasu tego etapu w porównaniu do podejścia standardowego.
Rozruch bioreaktora
Opracowana przez nas uproszczona metoda matematyczna pozwala na precyzyjne przewidywanie dynamiki bioreaktora bez konieczności stosowania zaawansowanych metod numerycznych, co znacząco upraszcza proces projektowania i optymalizacji.
Narzędzia
W projekcie wykorzystano Matlab, Pythona i C++. Matlab służył do symulacji i analizy modeli, Python do automatyzacji procesów i wizualizacji, a C++ do implementacji kluczowych algorytmów w celu zapewnienia wysokiej wydajności obliczeniowej.