前言
經(jīng)過幾輪功能開發(fā)與技術(shù)迭代，我們此前推出的數(shù)字孿生模擬器現(xiàn)已支持同時(shí)對溶氧、微生物生長和傳熱過程進(jìn)行模擬。關(guān)于數(shù)字孿生這個概念，我們此前介紹過相關(guān)的定義，并且開發(fā)了針對溶氧過程的應(yīng)用案例。對于生物工程來說，數(shù)字孿生就是基于計(jì)算機(jī)模擬理論，對生物過程及其配套裝備建立模型，并將其嵌入至控制系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與物理實(shí)體的雙向數(shù)據(jù)通訊。從這個意義來說，僅對單一因素進(jìn)行模擬顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要結(jié)合多項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)，并考慮它們對發(fā)酵過程的聯(lián)合影響，才能獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。但模型的復(fù)雜程度和運(yùn)算量也會因此而呈指數(shù)增加。為此，我們使用C++開發(fā)了數(shù)字孿生模擬計(jì)算方法庫-pyrex。相比于腳本類語言，其運(yùn)算效率可以成倍提升。該庫在不久的將來也會以開放使用的形式和大家見面。今天，我們先討論在多因素情況下，數(shù)字孿生動態(tài)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用案例。這個案例將使用基于Python的網(wǎng)頁應(yīng)用調(diào)用pyrex核心算法來實(shí)現(xiàn)。
 
理論基礎(chǔ)
圖1是補(bǔ)料發(fā)酵過程主要操作參數(shù)與菌體生長、產(chǎn)物形成之間的相互影響示意圖，同時(shí)也是生物過程數(shù)字孿生模擬器的技術(shù)路線圖。其中，綠色高亮部分，是pyrex當(dāng)前版本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的部分，包括攪拌與通氣對傳質(zhì)系數(shù)，進(jìn)而對傳質(zhì)速率、攝氧速率以及溶氧濃度的影響，補(bǔ)料流量對底物濃度進(jìn)而比生長速率和菌體濃度的影響，以及上述所有參數(shù)之間的互相作用。
   
關(guān)于上述模型的理論基礎(chǔ)，可以參考我們之前的公眾號文章，如攪拌對傳質(zhì)系數(shù)的影響。pyrex還包含了生物反應(yīng)器產(chǎn)熱及溫度控制模塊。本文中，我們以使用冷卻水對反應(yīng)器進(jìn)行溫度控制為例進(jìn)行演示。其中過程產(chǎn)熱包含了機(jī)械能耗散和生化反應(yīng)放熱。由于模擬器中溫度控制和溶氧控制使用了PID控制器，本模擬器完全可以用來學(xué)習(xí)PID控制器參數(shù)整定。事實(shí)上，下面演示的網(wǎng)頁應(yīng)用中，PID參數(shù)并沒有優(yōu)化，歡迎大家嘗試自己對控制進(jìn)行優(yōu)化，這也是數(shù)字孿生應(yīng)用的一個重要方面。如果您不熟悉PID控制器原理，請先查閱http://dm.parallel-bioreactor.com/pid。
   
使用方法