Aplicación de la tecnología de control automático en la biofermentación

2020-07-01

Las características de los parámetros de la reacción biológica de fermentación son diversas. Cambian no solo con el tiempo, sino también con el metabolismo de la flora. Al mismo tiempo, la ley de cambio también varía, por lo que se trata de un sistema no lineal. Inicialmente, el análisis de laboratorio se realizaba mediante muestreo manual para obtener información sobre la variable paramétrica del sistema de fermentación y así controlar todo el proceso. Aunque este método de operación con bajo nivel de automatización ahorra la inversión inicial en equipos, también presenta algunos problemas en su uso: aumento de los costos de mano de obra, alto consumo de materias primas y energía, baja utilización de los equipos, retraso en la retroalimentación de la información de parámetros, errores o fallos del personal y rendimiento del producto inestable.
Ante la competencia cada vez más intensa del mercado, cada vez más empresas buscan mejorar el proceso de producción, por ejemplo, introduciendo sistemas de control automático en el proceso de fermentación y utilizando tecnología de pruebas, tecnología de sensores y tecnología de control predictivo difuso para el control digital de la temperatura, la presión del tanque, el pH, el oxígeno disuelto, el caudal de aire, la alimentación, la espuma, la velocidad de agitación y la indicación del motor ante una operación incorrecta. No solo ahorra mucha mano de obra, sino que también mejora la eficiencia de producción y la calidad del producto.

Introducción al sistema de control automático de fermentación
Los parámetros de fermentación son las características fisiológicas y bioquímicas del proceso de fermentación y de sus cepas, y también constituyen la base principal para que las personas controlen dicho proceso. En el proceso de fermentación, la clave para lograr el control automático son los sensores que miden diversos parámetros. Las variaciones de las variables del proceso de fermentación detectadas por los sensores se convierten, mediante el transmisor, de una señal no eléctrica en una señal eléctrica estándar. Finalmente, se muestran, registran o transmiten al ordenador para su procesamiento mediante el instrumento.
El sistema de control automático de fermentación incluye tres partes: elemento de detección, parte de control y elemento de acción.
1. Elemento de detección
Existen distintos métodos de clasificación para los sensores. Se pueden clasificar como sensores fuera de línea y sensores en línea según el método de medición; o como sensores fabricados con elementos de detección de fuerza, de calor, de luz, magnéticos, electroquímicos y biosensores, según el principio de medición. Debido a la fácil transmisión de señales eléctricas, la mayoría de los sensores emiten señales eléctricas, como voltaje, corriente, resistencia, inductancia, capacitancia y frecuencia.
2. Parte de control
La función principal de la parte de control es comparar las distintas señales de parámetros detectadas por los elementos de detección con valores predeterminados y, al mismo tiempo, emitir comandos de señal al actuador para el control de ajuste. Generalmente se utilizan el control de tipo interruptor y el control analógico. El control de tipo interruptor se refiere a los dos estados de encendido y apagado, y se representa con 0 y 1, es decir, estado encendido o estado apagado. Por ejemplo, en el control del proceso de fermentación, el control de tipo interruptor solo puede controlar la apertura y el cierre de las válvulas. El control analógico se refiere al control que no solo puede controlar la apertura y el cierre de las válvulas, sino también su grado de apertura y cierre durante el control del proceso de fermentación, desempeñando así una función reguladora.
3. Elemento de acción
El elemento de acción es un elemento que realiza directamente la acción de control, como válvula electromagnética, válvula de control neumática, válvula de control eléctrica, reductor, bomba peristáltica, etc. Refleja la señal emitida por el controlador o la variable de control modificada por la intervención manual del operador. El actuador puede operar de forma continua o intermitente.

Los actuadores pueden dividirse en actuadores neumáticos, eléctricos e hidráulicos según su distinta fuente de energía. Los más utilizados en fermentación son la válvula de control neumática de diafragma, la válvula de bola neumática, la válvula neumática de asiento angular, la válvula electromagnética, etc.

Detección y control de parámetros convencionales en el proceso de fermentación

1.Temperatura

En el proceso de fermentación, normalmente se utiliza un termómetro de resistencia para detectar la temperatura de fermentación. La medición de temperatura por resistencia se basa en la propiedad de que el valor de resistencia de conductores metálicos o semiconductores cambia con la temperatura, y ese cambio se convierte en una señal eléctrica. La señal eléctrica transmite los comandos de control al actuador a través del instrumento de control y de diversos interruptores o circuitos de control. Así, puede activar o cerrar el dispositivo de enfriamiento o calentamiento para mantener constante la temperatura del tanque y lograr el propósito del control automático de la temperatura.
Cuando finaliza el control de la temperatura de fermentación, siempre existe un fenómeno de histéresis. Un control oportuno y razonable suele requerir la experiencia y las habilidades de los ingenieros.
2. Presión del tanque
Existen muchos tipos de sensores de presión, entre ellos los de galga extensométrica de resistencia, piezorresistivos, inductivos y capacitivos. Entre ellos, el más utilizado es el sensor de presión piezorresistivo, que presenta mayor precisión, mejores características lineales y además un precio medio. El transmisor de presión convierte la presión del tanque de fermentación en una señal eléctrica para acceder al sistema de control. El método de control de presión consiste generalmente en ajustar el caudal de entrada o el desplazamiento de aire para mantener la presión requerida durante el proceso de fermentación.
3. Velocidad de agitación
La velocidad de agitación puede medirse con un velocímetro de inducción magnética, un velocímetro de inducción luminosa o un generador taquimétrico.
4. Caudal de aire y caudal de pulverización de líquido
La detección del caudal generalmente incluye el uso de caudalímetros de flotador metálico, caudalímetros electromagnéticos, caudalímetros de vórtice, etc.
El caudalímetro de flotador metálico debe instalarse en posición vertical y el flujo debe ir de abajo hacia arriba. Cuando pasa el material o el aire, se crea una diferencia de presión en ambos lados del flotador, lo que provoca la elevación del flotador con un impulso ascendente. A medida que cambia el caudal, también cambia la posición del rotor flotante, lo que provoca una variación de la capacitancia o la resistencia, que se convierte en una señal eléctrica. Después de la amplificación, el controlador de arranque puede lograr la automatización del control del caudal.
El caudalímetro electromagnético utiliza el principio de que un líquido en movimiento corta un campo magnético para generar una fuerza electromotriz inducida y detectar el caudal, y puede emplearse para medir el caudal de fluidos conductores (como agua de circulación, etc.).
El caudalímetro de vórtice, cuyo principio básico es la calle de vórtices de Kármán, utiliza la relación de que la frecuencia de desprendimiento de vórtices es proporcional al caudal para detectar este último. El caudalímetro de vórtice puede utilizarse para detectar el caudal de fluidos conductores o no conductores, por lo que sus aplicaciones son muy amplias. Puede emplearse para la detección de vapor, aire y agua pura.
5. Volumen, peso y espuma
La detección del volumen adopta generalmente el método de presión diferencial, que consiste en que el volumen de pulverización de líquido y la altura del líquido pueden calcularse utilizando las distintas presiones entre dos o tres puntos superiores e inferiores del tanque de fermentación. Normalmente se instala un transmisor de presión diferencial en el tanque de fermentación para detectar el volumen en el tanque.
Además, también puede utilizarse un sensor de pesaje para detectar el peso del material en el tanque. El sensor de pesaje se usa con frecuencia en la sección de dosificación de la fermentación.
La detección de espuma generalmente utiliza el método de sonda de electrodo. Cuando la espuma sube y alcanza el sensor, se genera una señal eléctrica; luego la señal se retroalimenta, se emite una alarma y se añade agente antiespumante.
6. pH
La medición de pH generalmente utiliza un electrodo compuesto de pH. Este tipo de electrodo tiene una estructura compacta y puede esterilizarse con vapor. Su principio de funcionamiento es que genera una cierta fuerza electromotriz cuando se sumerge en una solución con un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia. El transmisor de pH está conectado a la parte de control, y la válvula automática o la bomba peristáltica se controlan mediante el sistema de circuito para ajustar el valor de pH.
7. Oxígeno disuelto
En la actualidad, debido a sus propias características, la industria de la fermentación utiliza el método de expresar el porcentaje de saturación de aire para representar el oxígeno disuelto. Antes de la inoculación, se simulan las condiciones de cultivo normales (agitación, temperatura, presión del tanque y aireación), y se realiza una calibración a escala completa. En ese momento, el oxígeno disuelto se considera 100 %, y no se volverá a corregir después del ajuste hasta el final de la fermentación. Por lo tanto, los datos de lectura mostrados por el electrodo de oxígeno disuelto durante el proceso de fermentación son en realidad el porcentaje del contenido de oxígeno disuelto durante la calibración.
Por lo general, en el proceso de fermentación sumergida profunda, la concentración de oxígeno disuelto depende de la velocidad con la que el oxígeno entra en el medio de cultivo y de la velocidad con la que las células biológicas consumen oxígeno. Los principales factores que afectan la velocidad de entrada de oxígeno en el medio son la velocidad de agitación, el caudal de aire y la presión del tanque. Según las distintas tecnologías de fermentación, la forma de ajustar el oxígeno disuelto también es diferente. Primero puede ajustarse la velocidad de agitación antes de regular el flujo de aire y la presión del tanque, o bien ajustarse solo uno de ellos.

Características del sistema de control automático DCS de fermentación de Shanghai Beyond
El sistema de control distribuido DCS de fermentación de Shanghai Beyond incluye el motor de control, compuesto por un controlador programable PLC, que comprende la placa de circuito integrada PLC y el ordenador de operación (o interfaz hombre-máquina). Tiene las características de gestión centralizada y control descentralizado. El control de cálculo y la recopilación de datos de fermentación se realizan íntegramente mediante el controlador PLC, y todo el proceso de fermentación se supervisa en tiempo real a través del ordenador de operación (o interfaz hombre-máquina) para organizar los datos registrados. El sistema de control PLC tiene una alta relación rendimiento-precio y buena estabilidad, y se ha convertido en la primera opción como núcleo de control automático para sistemas de control pequeños y medianos.

Todo el sistema está compuesto por ordenador central/pantalla táctil de campo, interfaz hombre-máquina, PLC, controlador de detección de campo, medidor de visualización de campo, etc., y se comunica con Ethernet a través del bus de campo.
El sistema PLC se encarga principalmente de la adquisición y el control de cada variable de detección del sistema, y transmite los datos al ordenador anfitrión a través de la línea de datos. El software de configuración del ordenador anfitrión realiza las funciones de visualización de datos en tiempo real del sistema, registro, ajuste de parámetros y procesamiento de datos históricos.
El ordenador anfitrión puede conectarse a Internet. Con la debida autorización, cualquier operario con conexión de red puede manejar el sistema.

Eso es todo lo que hemos hablado hoy sobre la aplicación de la tecnología de control automático en la biofermentación. Si tiene alguna pregunta o solicitud, póngase en contacto con un ingeniero de servicio de Beyond.

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