Бродильная промышленность с многолетней историей стала основой биоинженерии и биохимической инженерии. В последние десятилетия промышленность по ферментации этанола развивалась и процветала. Особенно в новой области биохимической инженерии брожение промышленного этанола привлекает все большее внимание научного, промышленного и государственного секторов.
При большой системе ферментации неправильная эксплуатация может привести к значительным экономическим потерям. Таким образом, измерение параметров,
ü эксплуатационный мониторинг,
ü автоматический контроль,
ü оптимизация работы и контроль процесса ферментации промышленного этанола
становятся ключевыми целями оптимизации и автоматизации процесса биохимической реакции.
Более того, стремительное развитие компьютерных технологий обеспечивает передовые средства автоматизации для измерения, анализа и контроля биохимической инженерии. Технология компьютерного управления, принятая для проведения автоматического контроля, управления и оптимизации в режиме реального времени, может решить проблемы
1. нестабильности,
2. низкого коэффициента ферментации,
3. низкого энергопотребления и высокой стоимости процесса ферментации этанола.
Контроль окружающей среды в процессе брожения промышленного этанола имеет жизненно важное значение, включая температуру брожения, значение PH, контроль концентрации растворенного кислорода, контроль пенообразования, контроль подачи и т.д. Процесс производства и ферментации промышленного этанола оптимизирован и контролируется компьютерной памятью и вычислительной мощностью.
Сама промышленная ферментация этанола представляет собой процесс биохимической реакции со сложным механизмом. Трудно использовать существующую математическую модель для её описания. Плохая воспроизводимость данных производственного эксперимента создает много трудностей при математическом проектировании. Использование компьютера обеспечивает большую поддержку при смене параметров ферментации, управлении данными и анализе, контроле оптимизации процесса ферментации. В данном исследовании изучаются процессы ферментации промышленного этанола с использованием компьютерных технологий и проектируется компьютерная модель контроля процессами ферментации промышленного этанола.
Схема проектирования системы управления
Измерение параметров процесса ферментации
Для эффективной эксплуатации и контроля процесса производства и ферментации промышленного этанола необходимо точно измерять параметры. Среди параметров наиболее важными факторами, влияющими на производство этанола и ферментацию, являются температура, уровень pH ферментированной жидкости и концентрация растворенного кислорода.
Схема проектирования модели контроля
В ходе брожения крупного промышленного этанола объем ферментатора велик, как правило, от сотен до тысяч литров. Механическая мешалка используется для смешивания ферментированной жидкости и воздуха с целью увеличения необходимого количества кислорода в процессе ферментации. Традиционная система управления ферментаторами включает четыре секции контроля и четыре измерительных секций. Секции контроля (pH, температура, регулирование пенообразования и скорости перемешивания) принимают режим регулирования с обратной связью. Контроллер отправляет сигнал через заданную температуру, исполнительный механизм используется для нагрева или охлаждения в ферментере, а проверка температуры передается на контроллер, формируя тем самым замкнутый контур управления.
Разработка системы контроля производства и ферментации этанола
Конструкция аппаратуры системы контроля производства и ферментации этанола
Система управления ферментатором в данном эксперименте использует ПЛК в качестве нижнего компьютера, который может собирать, обрабатывать и выводить различные параметры. Оборудование системы контроля производства этанола и ферментации состоит из pH-метра, счетчика растворенного кислорода, ПЛК и аппаратного контура. Измеритель РН использует высокотемпературную систему датчиков РН ГКФ. Вся машина небольшого размера с небольшим количеством подключений, что удобно для отладки. Измеритель растворенного кислорода представляет собой разновидность многофункционального контроллера, объединяющего измерения и преобразование сигнала. В любой момент времени можно переключать различные единицы измерения, а также реализовывать режимы управления границами, длительностью импульсов и частотой. Измеритель растворенного кислорода может хранить и резервировать данные, исправлять их и обеспечивать сохранность другой информации без удаления после отключения питания. ПЛК, как программируемый логический контроллер в системе управления ферментатором, может автоматически управлять ферментатором.
Проектирование системы контроля производства и ферментации этанола
Программное обеспечение компьютерной системы управления состоит из верхней компьютерной части, предназначенной для хранения и обработки данных, а также нижней компьютерной части, предназначенной для сбора и обработки полевых данных и управления контуром. ПЛК напрямую связан с испытательным устройством, и температура, и значение pH, и растворенный кислород и другие данные рециркулируются и передаются обратно для измерения. Верхний и нижний компьютеры подключены напрямую для сбора и мониторинга данных в режиме реального времени. В процессе производства и ферментации промышленного этанола требуется система температурного контроля для быстрого отслеживания изменения заданной стоимости, с небольшим перерасходом и без остаточной разницы.
При контакте ферментированной жидкости с низким потенциалом подключается низкий электрод. В результате вспенивания высокий электрод соприкасается с ферментированной жидкостью. Высокие и низкие потенциалы будут соединены одновременно. Основной интерфейс компьютера для мониторинга включает в себя настройку, просмотр, отладку системы, мягкое измерение и нечеткий монитор. Из-за нелинейности, изменчивости и неопределенности брожения промышленного этанола обычные методы контроля не могут точно достичь желаемого эффекта. В компьютерное проектирование добавлен нечеткий алгоритм управления.
Выводы
В данной статье были рассмотрены процессы ферментации и производства промышленного этанола с помощью компьютерных технологий, а также динамика процесса ферментации этанола под компьютерным контролем. Выводы заключаются в следующем:
· Оборудование системы контроля производства этанола и ферментации состоит из pH-метра, счетчика растворенного кислорода, ПЛК и аппаратного контура. Программное обеспечение компьютерной системы управления состоит из верхней компьютерной части, предназначенной для хранения и обработки данных, а также нижней компьютерной части, предназначенной для сбора и обработки полевых данных и управления контуром.
· Количество и активность дрожжевых клеток в процессе промышленной ферментации этанола очень важны для процесса ферментации, и увеличение биомассы может ускорить эффективность производства этанола. Кроме того, нельзя игнорировать влияние производства субстрата и этанола на брожение промышленного этанола.
