Application de la technologie de commande automatique en biofermentation

2020-07-01

Les caractéristiques des paramètres de la réaction de fermentation biologique sont très variées. Elles évoluent non seulement avec le temps, mais aussi avec le métabolisme de la flore. Par ailleurs, leur comportement change également, ce qui en fait un système non linéaire. À l’origine, les analyses de laboratoire étaient réalisées par prélèvements manuels afin d’obtenir des informations sur les variables paramétriques du système de fermentation et ainsi piloter l’ensemble du processus. Bien que cette méthode à faible automatisation réduise l’investissement initial en équipements, elle présente aussi certains problèmes d’utilisation : augmentation des coûts de main-d’œuvre, forte consommation d’énergie et de matières premières, faible taux d’utilisation des équipements, retard dans le retour des informations de paramètres, erreurs ou fautes de manipulation et rendement produit instable.
Face à une concurrence de marché de plus en plus intense, de plus en plus d’entreprises cherchent à améliorer leur processus de production, par exemple en introduisant des systèmes de contrôle automatique dans le processus de fermentation, ainsi que des technologies de test, de détection et de commande prédictive floue pour le contrôle numérique de la température, de la pression de cuve, du pH, de l’oxygène dissous, du débit d’air, de l’alimentation, de la mousse, de la vitesse d’agitation et pour éviter les erreurs d’affichage du moteur dues à une mauvaise opération. Cela permet non seulement d’économiser beaucoup de main-d’œuvre, mais aussi d’améliorer l’efficacité de production et la qualité des produits.

Présentation du système de contrôle automatique de la fermentation
Les paramètres de fermentation correspondent aux caractéristiques physiologiques et biochimiques du processus de fermentation et de ses souches ; ils constituent également la base principale permettant de contrôler ce processus. Dans le processus de fermentation, la clé de l’automatisation du contrôle réside dans les capteurs qui mesurent divers paramètres. Les variations du processus de fermentation détectées par les capteurs sont converties par le transmetteur d’un signal non électrique en un signal électrique standard. Enfin, elles sont affichées, enregistrées ou transmises à l’ordinateur pour traitement par l’instrument.
Le système de contrôle automatique de la fermentation comprend trois parties : l’élément de détection, la partie de contrôle et l’élément d’action.
1. Élément de détection
Il existe différentes méthodes de classification des capteurs. Ils peuvent être classés en capteurs hors ligne et capteurs en ligne selon la méthode de mesure ; ou en capteurs à élément de mesure des forces, de la chaleur, de la lumière, du magnétisme, en éléments électrochimiques et en biocapteurs selon le principe de mesure. En raison de la facilité de transmission des signaux électriques, la plupart des capteurs délivrent des signaux électriques, tels que la tension, le courant, la résistance, l’inductance, la capacité et la fréquence.
2. Partie de contrôle
La fonction principale de la partie de contrôle est de comparer les différents signaux de paramètres détectés par les éléments de détection avec des valeurs prédéterminées, tout en envoyant des commandes de signal à l’actionneur pour le réglage. On utilise généralement un contrôle tout ou rien et un contrôle analogique. Le contrôle tout ou rien désigne deux états, marche et arrêt, représentés par 0 et 1 ; il s’agit donc soit d’un état actif, soit d’un état inactif. Par exemple, dans le contrôle du processus de fermentation, le contrôle tout ou rien ne peut commander que l’ouverture et la fermeture des vannes. Le contrôle analogique, quant à lui, permet non seulement de commander l’ouverture et la fermeture des vannes, mais aussi d’en régler le degré d’ouverture pendant le processus de fermentation, afin de jouer un rôle de régulation.
3. Élément d’action
L’élément d’action est un élément qui exécute directement l’action de commande, comme la vanne électromagnétique, la vanne de régulation pneumatique, la vanne de régulation électrique, le réducteur, la pompe péristaltique, etc. Il reflète le signal de sortie du régulateur ou la variable de commande modifiée par l’intervention manuelle de l’opérateur. L’actionneur peut fonctionner en continu ou par intermittence.

Selon leur source d’énergie, les actionneurs peuvent être divisés en actionneurs pneumatiques, électriques et hydrauliques. Les plus utilisés en fermentation sont la vanne de régulation pneumatique à membrane, la vanne à boisseau sphérique pneumatique, la vanne à siège incliné pneumatique, la vanne électromagnétique, etc.

Détection et commande des paramètres conventionnels dans le processus de fermentation

1.Température

Dans le processus de fermentation, on utilise généralement un thermomètre à résistance pour détecter la température de fermentation. La mesure de température par résistance repose sur les propriétés de la résistance électrique des conducteurs métalliques ou des semi-conducteurs, qui varie avec la température ; cette variation est convertie en signal électrique. Le signal électrique transmet ensuite les commandes de contrôle à l’actionneur via l’instrument de commande et divers commutateurs ou boucles de régulation. Ainsi, il peut mettre en marche (ou arrêter) le dispositif de refroidissement (ou de chauffage) afin de maintenir la température de la cuve constante et d’atteindre l’objectif de régulation automatique de la température.
Une fois le contrôle de la température de fermentation terminé, il existe toujours un phénomène d’hystérésis. Un réglage opportun et approprié nécessite souvent l’expérience et les compétences des ingénieurs.
2. Pression de cuve
Il existe de nombreux types de capteurs de pression, notamment à jauge de contrainte résistive, à piézorésistance, à inductance et à capacité. Parmi eux, le capteur de pression à piézorésistance est le plus largement utilisé ; il offre une meilleure précision, de meilleures caractéristiques de linéarité et un prix modéré. Le transmetteur de pression convertit la pression de la cuve de fermentation en signal électrique pour l’intégrer au système de commande. La méthode de régulation de pression consiste généralement à ajuster le débit d’entrée ou le déplacement d’air afin de maintenir la pression requise pendant le processus de fermentation.
3. Vitesse d’agitation
La vitesse d’agitation peut être mesurée à l’aide d’un tachymètre à induction magnétique, d’un tachymètre à induction lumineuse ou d’une dynamo tachymétrique.
4. Débit d’air et débit de pulvérisation de liquide
La mesure du débit comprend généralement l’utilisation d’un débitmètre à flotteur métallique, d’un débitmètre électromagnétique, d’un débitmètre à vortex, etc.
Le débitmètre à flotteur métallique doit être installé verticalement, avec un écoulement de bas en haut. Lorsque la matière ou l’air passe, une différence de pression se crée de part et d’autre du flotteur, ce qui provoque sa levitation avec une impulsion vers le haut. À mesure que le débit varie, la position du flotteur change également, entraînant une variation de la capacité ou de la résistance, laquelle est convertie en signal électrique. Après amplification, le contrôleur de démarrage peut réaliser l’automatisation du contrôle du débit.
Le débitmètre électromagnétique utilise le principe selon lequel un liquide en écoulement coupe un champ magnétique pour générer une force électromotrice induite et détecter le débit ; il peut être utilisé pour mesurer le débit des fluides conducteurs (tels que l’eau de circulation, etc.).
Le débitmètre à vortex, dont le principe de base est la rue de tourbillons de Kármán, utilise la relation selon laquelle la fréquence de détachement des vortex est proportionnelle au débit pour mesurer celui-ci. Ce débitmètre peut être utilisé pour détecter le débit de fluides conducteurs ou non conducteurs ; ses applications sont donc très larges. Il peut servir à la mesure de la vapeur, de l’air et de l’eau pure.
5. Volume, poids et mousse
La mesure du volume adopte généralement la méthode de la pression différentielle, qui consiste à calculer le volume de pulvérisation de liquide et le niveau de liquide en utilisant les différences de pression entre deux ou trois points supérieurs et inférieurs de la cuve de fermentation. Un transmetteur de pression différentielle est généralement installé sur la cuve de fermentation pour détecter le volume dans la cuve.
En outre, un capteur de pesée peut également être utilisé pour détecter le poids du matériau dans la cuve. Le capteur de pesée est souvent utilisé dans la section de dosage de la fermentation.
La détection de la mousse utilise généralement la méthode de la sonde à électrode. Lorsque la mousse monte et atteint le capteur, un signal électrique est généré ; le signal est ensuite renvoyé, une alarme est déclenchée et un agent antimousse est ajouté.
6. pH
La mesure du pH utilise généralement une électrode combinée de pH. Ce type d’électrode présente une structure compacte et peut être stérilisé à la vapeur. Son principe de fonctionnement repose sur l’apparition d’une certaine force électromotrice lorsqu’elle est immergée dans une solution avec une électrode de verre et une électrode de référence. Le transmetteur de pH est relié à la partie de contrôle, et la vanne automatique ou la pompe péristaltique est commandée par le système de boucle afin d’ajuster la valeur du pH.
7. Oxygène dissous
Actuellement, en raison de ses propres caractéristiques, l’industrie de la fermentation utilise la méthode d’expression du pourcentage de saturation en air pour représenter l’oxygène dissous. Avant l’inoculation, on simule les conditions de culture normales (agitation, température, pression de cuve, aération), puis un étalonnage complet est effectué. À ce moment-là, l’oxygène dissous est considéré comme égal à 100 %, et il ne sera plus corrigé après réglage jusqu’à la fin de la fermentation. Par conséquent, les données affichées par l’électrode à oxygène dissous pendant le processus de fermentation correspondent en réalité au pourcentage de teneur en oxygène dissous lors de l’étalonnage.
En général, dans le processus de fermentation en profondeur immergée, la concentration en oxygène dissous dépend de la vitesse à laquelle l’oxygène entre dans le milieu de culture et de la vitesse à laquelle il est consommé par les cellules biologiques. Les principaux facteurs influençant la vitesse d’entrée de l’oxygène dans le milieu sont la vitesse d’agitation, le débit d’air et la pression de cuve. Selon les différentes technologies de fermentation, la manière de régler l’oxygène dissous diffère également. On peut d’abord ajuster la vitesse d’agitation avant d’ajuster le débit d’air et la pression de cuve, ou bien n’en ajuster qu’un seul.

Caractéristiques du système de contrôle automatique DCS de fermentation Shanghai Beyond
Le système de contrôle distribué DCS de fermentation Shanghai Beyond comprend le moteur de commande, composé d’un automate programmable PLC, incluant une carte de circuit intégré PLC et un ordinateur d’exploitation (ou interface homme-machine). Il se caractérise par une gestion centralisée et un contrôle décentralisé. Le calcul de commande et la collecte des données de fermentation sont tous assurés par le contrôleur PLC, et l’ensemble du processus de fermentation est surveillé en temps réel via l’ordinateur d’exploitation (ou l’interface homme-machine) afin d’organiser les données enregistrées. Le système de commande PLC offre un excellent rapport performances/prix et une bonne stabilité, et il est devenu le premier choix pour le cœur du contrôle automatique des systèmes de petite et moyenne taille.

L’ensemble du système est composé d’un ordinateur central/écran tactile de terrain, d’une interface homme-machine, d’un PLC, d’un contrôleur de détection sur site, d’un afficheur de terrain, etc., et il communique avec Ethernet via un bus de terrain.
Le système PLC assure principalement la collecte et le contrôle de chaque grandeur de détection du système, puis transmet les données à l’ordinateur hôte via la ligne de données. Le logiciel de configuration de l’ordinateur hôte assure l’affichage des données en temps réel, l’enregistrement, le réglage des paramètres et le traitement des données historiques du système.
L’ordinateur hôte peut être connecté à Internet. Avec autorisation, tout opérateur disposant d’une connexion réseau peut faire fonctionner le système.

C’est tout ce que nous avons présenté aujourd’hui sur l’application de la technologie de commande automatique dans la biofermentation. Pour toute question ou demande, veuillez contacter un ingénieur du service Beyond.

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