Математичне моделювання як інструмент формування професійної компетентності майбутніх магістрів біотехнології: дослідження роботи біореактора періодичної дії

Анотація

Біотехнології з року в рік набувають все більшого значення як рушій інноваційного розвитку сучасного технологічного суспільства, охоплюючи все ширші сфери діяльності людини: фармацію, медицину, харчову та хімічну промисловість, відновлення довкілля, екологію.
Істотно зростають вимоги до кадрового забезпечення біотехнологічної галузі, а відтак і до якості процесу підготовки майбутніх біотехнологів. Особливої ваги набуває опанування методів математичного та комп’ютерного моделювання, які дають змогу майбутнім фахівцям проєктувати, аналізувати й оптимізувати біотехнологічні процеси відповідно до потреб промисловості та суспільних вимог.
У дослідженні представлено математичний опис процесів, що відбуваються в біореакторі періодичної дії, від оптимізації параметрів якого залежить ефективність біотехнологічного виробництва. Запропонована модель базується на рівняннях Міхаеліса-Ментена та Моно та реалізована в системах Mathcad та Python. Математична модель описує кінетичний модуль біореактора періодичної дії, враховуючи швидкість росту мікробів, споживання субстрату та утворення продукту. Для розв’язування системи диференціальних рівнянь використано оператор Odesolve в Mathcad 15. Отримані результати відтворюють характерну кінетику періодичної ферментації.
Розроблена модель може бути застосована в реальних виробничих процесах і водночас має чималий дидактичний потенціал, оскільки дає змогу зрозуміти роль методів математичного та комп'ютерного моделювання в проєктуванні біотехнологічних процесів, дослідженні варіантів оптимізації параметрів біореактора, можливостей керування кінетикою росту та швидкістю біохімічних перетворень. Здійснюючи комп’ютерне моделювання біотехнологічних процесів, студенти отримують практичні навички роботи з програмним забезпеченням, навчаються застосовувати сучасні цифрові технології, аналізувати складні біотехнологічні системи, інтерпретувати графічні результати, приймати обґрунтовані рішення та оцінювати ефективність виробництва. Така навчальна модель сприяє формуванню професійної компетентності, передбаченої освітніми програмами підготовки за спеціальністю G21 «Біотехнології та біоінженерія».