Matematyczne modelowanie bioreaktora okresowego jako narzędzie kształtowania kompetencji zawodowych magistrów biotechnologii

Abstrakt

Biotechnologia z roku na rok zyskuje coraz większe znaczenie jako czynnik napędzający rozwój innowacyjny współczesnego społeczeństwa technologicznego, obejmując coraz szersze obszary działalności człowieka, takie jak farmacja, medycyna, przemysł spożywczy i chemiczny, ochrona środowiska oraz ekologia.
Równocześnie wzrastają wymagania wobec zasobów kadrowych sektora biotechnologicznego, a tym samym wobec jakości procesu kształcenia przyszłych biotechnologów. Szczególnego znaczenia nabiera opanowanie metod modelowania matematycznego i komputerowego, które umożliwiają przyszłym specjalistom projektowanie, analizę i optymalizację procesów biotechnologicznych zgodnie z potrzebami przemysłu oraz wymogami społecznymi.
W pracy dokonano matematycznego opisu procesów zachodzących w bioreaktorze okresowym, optymalizacja parametrów ma istotny wpływ na efektywność produkcji biotechnologicznej. Opracowany model opiera się na równaniach Michaëlisa-Mentena oraz Monoda, a rozwiązanie układu równań różniczkowych przeprowadzono z wykorzystaniem narzędzia Odesolve w programie Mathcad 15. Uzyskane wyniki odzwierciedlają typową kinetykę fermentacji okresowej. Proponowany model matematyczny opisuje moduł kinetyczny bioreaktora okresowego, uwzględniając szybkość wzrostu mikroorganizmów, zużycie substratu oraz powstawanie produktu.
Opracowany model może być wykorzystany w rzeczywistych procesach produkcyjnych, a jednocześnie posiada istotny potencjał dydaktyczny, ponieważ umożliwia ukazanie studentom roli metod modelowania matematycznego i komputerowego w projektowaniu różnorodnych procesów biotechnologicznych, możliwości optymalizacji parametrów bioreaktora, sterowania kinetyką wzrostu oraz tempem przemian biochemicznych. Przyszli specjaliści nabywają praktyczne umiejętności pracy z oprogramowaniem, uczą się wykorzystywania nowoczesnych technologii cyfrowych, przeprowadzania analizy złożonych systemów biotechnologicznych, prognozowania przebiegu procesów, interpretowania wykresów, podejmowania uzasadnionych decyzji oraz formułowania wniosków dotyczących efektywności procesu produkcyjnego. Taki model dydaktyczny sprzyja kształtowaniu kompetencji zawodowych przewidzianych w programach kształcenia na kierunku G21 „Biotechnologia i bioinżynieria”.