В Сириусе на программе «Большие вызовы» школьники из направления «Передовые производственные технологии» работают над созданием прототипа умного биореактора. Этот аппарат, предназначенный для выращивания клеток и микроорганизмов, играет ключевую роль в производстве лекарственных препаратов. Биореактор будет оснащён системами автоматизированного управления и мониторинга, что позволит осуществлять автоматический контроль процесса культивирования белка — основного действующего вещества в лекарствах. На российском рынке биореакторы, оснащённые адаптивными системами управления, практически отсутствуют. Разработка умного биореактора повысит эффективность и качество производства лекарств. Партнёром проекта выступает российская биотехнологическая компания BIOCAD.
Биореактор обеспечивает стабильность таких параметров, как температура, концентрация кислорода и питательных веществ, что важно для создания благоприятной среды, в которой клетки равномерно получают всё необходимое для жизнедеятельности. Сейчас контроль осуществляется с помощью систем автоматизации и управления с датчиками и контроллерами. Зачастую эти методы бывают не способны быстро нивелировать колебания биохимических процессов и нормализовать работу биореактора. Перед школьниками стоит задача разработать программное обеспечение для управления системой подачи газов с алгоритмами, которые позволяют минимизировать отклонения по сравнению с традиционным подходом.
«Ребята уже собрали по чертежам программируемый логический контроллер (ПЛК). Этот адаптивный регулятор должен стать мозгом биореактора. Дальнейшая работа будет сосредоточена на написании алгоритмов, которые позволяют ПЛК самостоятельно управлять параметрами концентрации кислорода в биореакторе без вмешательства оператора. У проекта хороший потенциал, особенно в свете текущих трендов в цифровизации и автоматизации промышленности. Научные конференции и обсуждения на высоком уровне о внедрении автоматизированных систем подчёркивают их актуальность и востребованность. Работа с адаптивными системами — это не просто автоматизация процессов, а шаг вперёд к более интеллектуальным решениям в промышленности», — говорит руководитель проекта, старший разработчик систем машинного обучения BIOCAD Владимир Меркулов.
Школьники улучшили навыки программирования на высокоуровневом языке Python, познакомились с основными принципами работы биореактора, теорией разработки алгоритмов, прослушали базовые лекции по дифференциальным уравнениям, основам нечёткой логики, математическому анализу, линейной алгебре, а также по базовой теории схемотехники и сборке электрических схем.
«Наша цель — разработать принципиально новый подход к управлению биореактором, который повысит производство лекарственных препаратов. Работа началась с изучения аналогов биореакторов, как российских, так и зарубежных. Как оказалось, таких устройств с системами адаптивного управления практически нет. В проекте я занимаюсь написанием алгоритмов на языке Python, с их помощью планируется обучить адаптивный регулятор управлять подачей кислорода, углекислого газа и регулировать температуру. В рамках проекта у нас прошла лекция сотрудника компании “Биокад”, который рассказал о выводе генов гибридомным или фаговым способом, которые потом используются для создания лекарств. Иногда это десятилетний труд. В будущем я хотел бы продолжить работу в этом направлении», — рассказывает 10-классник школы № 1788 города Москвы Александр Диденко.
«Был удивлён разнообразием сложных алгоритмов, используемых для регулирования различных параметров. Думал, что эта область полностью изучена, но оказалось, возможностей для автоматизации и разработки алгоритмов значительно больше. Мне понравилось работать во всех направлениях проекта: и писать код, и собирать сам биореактор, и программируемый логический контроллер. Теоретическая часть, связанная с фармацевтикой и работой биореактора, расширила мои научные горизонты и дала понимание того, как работает индустрия, для которой разрабатывается умный биореактор», — отмечает участник проекта, 10-классник московской школы № 2045 им. Героя РФ Д.А. Разумовского Егор Плякин.
В случае успешной разработки программного обеспечения для управления системой подачи газов с алгоритмами, можно будет продолжить работу над усовершенствованием проекта. Среди возможных идей — внедрение искусственного интеллекта. Это откроет новые возможности и перспективы в автоматизации технологических процессов.
