Системный анализ физико-химических закономерностей как элемент подготовки специалистов биотехнологии и технологии пищевых продуктов

519.8

СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ КАК ЭЛЕМЕНТ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ БИОТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

В.И. АЛЕКСЕЕВ, А.С. СКОБУН

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет

В области прогнозирования допустимого уровня использования биоресурсов перспективным направлением решения комплексных прикладных проблем является системный подход [1]. Он открывает также большие возможности для выявления лимитирующих изменение состояния факторов и, следовательно, технологии управления процессами разнообразной физической природы, в том числе процессами биотехнологий и переработки пищевого сырья.

Для решения данной задачи необходимо целостное рассмотрение объекта планируемой технологической обработки. Узловым моментом технологии системного анализа является моделирование изучаемых процессов, логическая структура баз данных и знаний, призванных обеспечить автоматизацию исследований.

Педагогика высшей школы все яснее приходит к пониманию того, что в подготовке специалиста наибольшее значение имеет не процесс передачи и усвоения уже известной суммы знаний, а формирование навыков получения абстрактной, рациональной информации и ее переработки в контексте профессиональной деятельности [2], которая должна основываться на определенной когнитивно-репрезентативной структуре. Прежде всего это связано с формированием определенного стиля мышления как процесса получения новой информации за счет преобразования уже известной. При этом мышление выступает в качестве высшей формы отражения объективной действительности.

В настоящей работе излагается подход к построению на основе теории системного анализа курса физической химии и методологии его использования специалистами при уяснении физико-химических закономерностей биотехнологических процессов в Институте прикладной биотехнологии Дальрыбвтуза.

Базовыми понятиями при исследовании какого-либо процесса являются объект и система. В системоло-гии [3] термином «объект» определяют часть окружающего мира, выделяемую как единое целое в течение ощутимого промежутка времени. Процедура выделения объекта в памяти на первом этапе связана с заданием его имени. Тем самым объект обосабливается из окружающей среды некой граничной поверхностью, не всегда являющейся материальной оболочкой. Свойства граничной поверхности объекта, его оболочки,

весьма существенны, так как именно они определяют характер обмена с внешней средой и, соответственно, особенности физико-химических процессов, условия стационарности или равновесия. При исследовании физико-химических систем принято выделять открытые, закрытые и изолированные системы, что может быть распространено и на объекты биотехнологии.

Базовое понятие «система» связанно с группой понятий, отражающих пять последовательно рассматриваемых аспектов системного анализа объекта (рис. 1): 1 -макроскопический (оценка целостных свойств объекта, взаимосвязи с внешней средой); 2 - структурно-иерархический (осуществляется через декомпозиции); 3 - микроскопический (описание элементов, их отношений); 4 - процессуальный (описание последовательности состояний); 5 - функциональный (оценка функций состояния процессов, роли элементов и подсистем, лимитирующих управляющих факторов).

Процесс системного познания объекта начинается, прежде всего, с отбора ограниченного, но достаточного для решения практических задач числа свойств-характеристик, однозначно описывающих объект. Следующим этапом является определение процедур оценки каждого свойства и, тем самым, выделение системы переменных величин, представляющих абстрактный образ объекта. В данном контексте понятие «система» - абстрактный, рациональный образ объекта, представленный как набор переменных, отражающих свойства системы. Процедуры измерения физико-химических

свойств объектов задаются международной системой единиц СИ.

Вектор макросостояния системы - набор конкретных значений переменных, соответствующих оценке выделенных свойств объекта, произведенной в какой-либо момент времени его существования. Это набор параметров 5;, характеризующий объект на макроуровне как целое в г-й момент времени.

где V, ть Р, Т и Су - объем, масса, давление, температура и молярная концентрацияу-го компонента соответственно в г-й момент времени.

Для наглядного отражения множества всех возможных состояний объекта используется понятие «пространство состояния», представляемое как множество точек с координатами, соответствующими параметрам конкретных состояний объекта. Мерность системы координат должна соответствовать числу переменных величин, однозначно задающих состояние объекта. Для приведенного выше варианта описания макросостояния (1) мерность составляет 4 + у.

В качестве примера представления пространства состояния можно рассмотреть широко используемый в физике абстрактный объект - «идеальный газ». Свойства данного объекта, переменные состояний и единицы их измерения представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства объекта Переменная величина Единица измерения

Количество молекул Н Моль

Объем У м3

Температура т К

Давление Р Па

Взаимосвязь переменных состояния идеального газа отражается уравнением Клапейрона - Менделеева РУ = уЯТ. Только три переменных являются независимыми , а значит, пространство состояния идеального газа - трехмерно (рис. 2, а). При выделении конкретного значения для какой-либо переменной состояния происходит вырождение пространства в поверхность, представляющую множество состояний 1 моль газа

а б в

рЛ

5.

А_____.<•

(рис. 2, б). Траектория процесса 51, 52, ... , 5ппредставлена на рис. 2, в.

Используемый в качестве примера объект является наиболее простым в физической химии, так как в соответствующей ему системе учитывается минимальное количество системообразующих факторов, не рассматриваются возможные различия между структурами молекул, их физико-химические взаимодействия, возможность существования в системе агрегатных состояний. Поэтому при всех возможных условиях данный объект представляет собой вариант постоянно гомогенной системы.

В реальных физико-химических системах, отражающих биотехнологические свойства объекта за счет межмолекулярных взаимодействий, существуют различные агрегатные неоднородности. Для учета характера организации взаимодействий в процессе системного анализа осуществляется последовательное выделение подсистем разных уровней целостности - фаз. На данном (втором) этапе раскрывается иерархическая структура физико-химических систем посредством фазового анализа на основе диаграмм состояния, отражающих множество состояний объекта, и взаимосвязь величин, характеризующих его свойства. Для однокомпонентных систем чаще всего используют диаграммы «давление - температура», для двухкомпонентных «состав - свойство». Для трехкомпонентных систем используются трехмерные диаграммы.

Из данных диаграмм прежде всего интерес представляют значения физико-химических величин, характеризующих множества состояний, соответствующих условиям фазовых равновесий. Кроме того, на их основе по оценке устойчивости состояний во времени можно предсказать направленность процессов при отклонении параметров состояний закрытых систем от равновесных условий.

Диаграммы, подобные диаграмме состояния воды (рис. 3, а) или плавкости системы «вода - хлористый натрий» (рис. 3, б), широко используются в материаловедении, технологии производства сплавов, нефтепродуктов и полупроводниковых устройств.

В технологии пищевых продуктов применение диаграммы «состав - свойства» актуально для свойств, обладающих коллигитивным (зависящим только от концентрации частиц) характером: температура фазовых переходов, осмотическое давление и др.

Описание неделимых подсистем - элементов - и характера отношений между ними составляет сущность третьего аспекта системного анализа - микро-

Таблица 2

Компонент Содержание, % Средняя молекулярная масса Среднее число молекул на клетку Число различных видов молекул

Н20 70 18 4 • 10 10 1

Неорганические ионы (№+, М§2+, К+, Са2+, Бе2+,

С1-, Р043-, 342- и т. д.) 1 40 2,5 • 108 20

Углеводы и их предшественники З 150 2 • 108 200

Аминокислоты и » » 0,4 120 З • 107 100

Нуклеотиды и » » 0,4 300 1,2 • 107 200

Липиды и » » 2 750 2,5 • 107 50

Другие небольшие молекулы (гем, хиноны, 0,2 150 1,5 • 107 250

продукты распада)

Белки 15 40000 106 2000-3000

ДНК 1 2,5 • 109 4 1

РНК 6

165-рРНК 500000 3 • 104 1

235-рРНК 1000000 З • 104 1

ТРНК 25000 4 • 105 60

МРНК 1000000 103 1000

скопического описания объекта. На данном этапе необходимо уяснить состав, строение, содержание и реакционную способность компонентов физико-химической системы, соответствующей исследуемому объекту.

Получение полной информации для описания объектов биотехнологии и технологии продуктов питания представляет весьма сложную проблему в связи с мно-гокомпонентностью данных объектов. В результате сложившегося разделения предметов исследования большинство биохимических исследований нацелено на изучение отдельных классов химических соединений. В настоящее время достаточно отработаны методики одновременного количественного определения нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов в биомассе микроорганизмов [4] или объектов аквакультуры, что позволяет изучать их как систему при оптимизации биотехнологических процессов с использованием системного подхода. В табл. 2 приведены данные результата комплексного исследования химического состава наиболее изученного объекта биотехнологии -делящейся клетки Escherichia coli [5].

Четвертым этапом анализа является описание процесса существования объекта последовательностью состояний в отдельные моменты времени.

В пространстве состояний процесс представляют двумя способами. С одной стороны, как последовательность точек S1, S2, ..., Sn, отражающих траекторию процесса в пространстве (рис. 2, в). С другой - сложные процессы представляют как сумму простых процессов, т. е. проекции на соответствующие диаграммы состояния такого типа, чтобы простой процесс однозначно был связан с изменением двух переменных -экстенсивной (координата процесса) и интенсивной (потенциал, движущая сила) природы. Потенциал не всегда представляет собой непосредственно измеряемое свойство объекта, он может быть функцией со-

стояния; к примеру, термодинамические потенциалы АН0, Д50, ДG0 и др.

Кроме того, изменение состояния объекта с течением времени отражают набором зависимостей параметров процесса от времени - набором кинетических кривых, например, изменения концентраций компонентов A, B и С трехкомпонентной химической системы (рис. 4: кривые 1, 2 и 3 соответственно).

Проведение описанных этапов анализа делает возможным переход к установлению ограничений проявления элементами и подсистемами своих свойств, накладываемых действием системообразующих факторов и реализацией соответствующей структуры связей между элементами. Это может быть описано совокупностью количественных закономерностей в форме конкретной системы уравнений, которая собственно и представляет собой математическую модель исследуемого объекта.

Таким образом, предметом пятого этапа системного анализа является установление функций элементов и функциональных зависимостей, т. е. физико-химических закономерностей в исследуемом объекте.

Так, анализ кинетических зависимостей позволяет установить функциональные места компонентов реакционной системы. Например, изменение концентрации компонентов (рис. 4) показывает, что исходным веществом является компонент А, промежуточный

Таблица 3

Компонент Сухая масса, % Примерная молекулярная масса Число молекул на клетку Число молекул, синтези -руемых за 1 с Число молекул АТФ, необходимых для синтеза Доля всей энергии, затрачиваемой на биосинтез, %

ДНК 5 2000000000 1 0,00083 60000 2,5

РНК 10 1000000 15000 12,5 75000 3,1

Белок 70 60000 1700000 1400 2120000 88,0

Липиды 10 1000 15000000 12500 87500 3,7

Полисахариды 5 200000 39000 32,5 65000 2,7

продукт - В, конечный продукт - С, т. е. в системе осуществляется процессАВС. Об обратимости реакции свидетельствует то, что концентрации исходного компонента А и промежуточного В не убывают до нуля. Анализ зависимости скорости от концентрации реагирующих веществ приводит к закону действующих масс.

Для исследования зависимостей изменения концентраций компонентов от времени используется процедура дифференцирования кинетических зависимостей, т. е. нахождение скоростей химических или других процессов. Оценка движущих сил процессов может производиться на основе теории термодинамических потенциалов, а величины затрат энергии - на основе расчета работы процесса. Данный подход позволяет оценить количество макроэнергетических соединений типа АТФ, необходимых для биосинтеза (табл. 3) [5].

Константы скоростей отдельных химических реакций могут быть оценены на основе теории механизмов химических процессов. Кинетические характеристики биосинтетических процессов, подчиняющиеся более сложным закономерностям, также могут быть оценены (табл. 3).

Завершающий системный анализ функциональный аспект позволяет выделить ограничения, накладываемые внутрисистемными отношениями в форме математической модели. Выявленные таким образом лимитирующие факторы могут и должны быть использованы для организации управления процессами в объектах как переработки сырья, так и биотехнологии. Пример приложения данного алгоритма к исследованию процесса просаливания рыбных продуктов рассмотрен в работе [6].

Таким образом, системный анализ технологических объектов включает пять последовательно рассматриваемых аспектов (рис. 1). Как показал опыт преподавания физической химии, у успевающих студентов данный алгоритм позволяет сформировать навык анализа сущности физико-химических, биологических

и технологических процессов на уровне математического моделирования [7]. Кроме того, на его основе возможно построение программы курса «Физическая химия» в контексте профессиональной деятельности специалиста, т. е. так, что сама рубрикация программы служит таким алгоритмом. Это позволяет заложить основы по созданию единой методической системы вуза [8].

Наиболее существенной трудностью на пути при -менения системного анализа может быть ограниченность числа химических соединений, для которых определены термодинамические свойства в биологических условиях. Эффективность освоения специалистами системного анализа, сущности биологических и технологических процессов на уровне математического моделирования возможна лишь при соответствующей организации исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бочаров Л.И. Системный анализ в краткосрочном рыбопромысловом прогнозировании. - Л.: Наука, 1990. - 208 с.

2. Вербицкий А.А. Активное обучение в высшей школе: Контекстный подход. - М.: Высш. школа, 1991. - 207 с.

3. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения сис -темных задач. - М.: Радио и связь, 1990. - 544 с.

4. Пупкова В.И., Сальникова С.П. Количественное опре -деление нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов в биомассе микроорганизмов // Биотехнология. - 1985. - № 1. - С. 64-67.

5. Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. - М.: Мир, 1988. - С. 20-21.

6. Алексеев В.И. Системный анализ физико-химических закономерностей в технологии пищевых продуктов // Изв. ТИНРО. -2004. - 136. - С. 326-333.

7. Алексеев В. И., Скобун А. С., Голубцов Б.В. Алгоритм раскрытия информационно-семантических свойств объектов как элемент естественнонаучной подготовки в вузе // Тр. Междунар. фо -рума по проблемам науки, техники и оборудования. Т. 1. - М.: Акад. науки по земле, 2001. - 137 с.

8. Каган В.И., Сыченников И.А. Основы оптимизации процесса обучения в высшей школе // Единая методическая система института: теория и практика. - М.: Высш. школа, 1987. - 143 с.

Кафедра общей и физической химии

Поступила 03.08.05 г.