Die Anwendungsherausforderungen von automatisierten Steuerungssystemen in der industriellen Fermentation
Einführung
Mit der rasanten Entwicklung der industriellen Biotechnologie spielt die Fermentationstechnologie eine entscheidende Rolle in Bereichen wie Pharmazie, Lebensmittel, Chemie und Landwirtschaft. Um die Produktivität zu steigern, die Produktqualität zu sichern und die Arbeitskosten zu senken, werden **Automatisierte Steuerungssysteme** zunehmend in industriellen Fermentationsprozessen eingesetzt. Durch die Echtzeitüberwachung und -regelung wichtiger Parameter wie Temperatur, pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Rührgeschwindigkeit und Nährstoffzufuhr wird der Fermentationsprozess verfeinert und effizienter gestaltet. Die breite Anwendung automatisierter Systeme in der industriellen Fermentation steht jedoch weiterhin vor zahlreichen Herausforderungen, darunter technische Komplexität, Zuverlässigkeit der Sensoren, Schwierigkeiten bei der Systemintegration und Unterschiede zwischen den Bakterienstämmen. Dieser Artikel untersucht systematisch die wichtigsten Herausforderungen automatisierter Steuerungssysteme in der industriellen Fermentation. industrielles Fermentationssystem und einige Lösungen vorschlagen.
I. Die Komplexität des industriellen Fermentationsprozesses
Die industrielle Fermentation ist ein hochgradig nichtlinearer Prozess mit drastischen dynamischen Veränderungen, der von zahlreichen Variablen beeinflusst wird:
Die Stoffwechselwege von Mikroorganismen sind komplex, und die Entstehung von Produkten steht in engem Zusammenhang mit Umweltveränderungen.
Es gibt Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Parametern (zum Beispiel beeinflusst die Temperatur den gelösten Sauerstoff, und der gelöste Sauerstoff wiederum beeinflusst die Stoffwechselrate);
Faktoren wie Unterschiede zwischen den Rohstoffchargen und die Anpassungsfähigkeit der Stämme haben ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die Fermentationsdynamik.
Soll ein automatisiertes System einen so komplexen Prozess präzise steuern, muss es über hochintelligente Fähigkeiten zur Datenerkennung, Modellanpassung und Entscheidungsfindung verfügen, was an sich schon eine technische Herausforderung darstellt.
MIKEBIO AT8000 automatisches Steuerungssystem
II. Schwierigkeiten bei der Überwachung wichtiger Parameter
1. Herausforderungen bei der Kontrolle des gelösten Sauerstoffs (DO)
Gelöster Sauerstoff ist ein Schlüsselfaktor, der die Stoffwechselaktivität aerober Mikroorganismen beeinflusst, seine Kontrolle ist jedoch recht schwierig:
Der Sauerstoffmassentransfer wird von Faktoren wie Gasdurchflussrate, Rührgeschwindigkeit und Flüssigkeitsviskosität beeinflusst.
Mit zunehmendem Volumen des Speichertanks sinkt die Sauerstoffübertragungseffizienz deutlich.
Die auf dem Markt erhältlichen Sonden zur Messung des gelösten Sauerstoffs weisen eine langsame Reaktionszeit, eine große Drift und eine Anfälligkeit für Verunreinigungen auf.
Wenn die Messung des gelösten Sauerstoffs ungenau ist, kann das Verhalten der automatischen Sauerstoffzufuhr oder die Anpassung der Rührgeschwindigkeit zu Fehlentscheidungen führen und dadurch die Produktbildung beeinträchtigen.
2. Probleme mit pH- und Temperatursensoren
Die pH-Elektrode ist sehr anfällig für Verunreinigungen und Passivierung, daher ist bei Langzeitbetrieb eine häufige Kalibrierung erforderlich.
Die Fermentationsbrühe kann eine hohe Viskosität oder Schaum aufweisen, was zu ungenauen Sensormesswerten führt.
Obwohl die Temperaturregelung relativ einfach ist, können lokale Überhitzung oder eine geringe Wärmeaustauscheffizienz dennoch Probleme verursachen.
3. Unzureichende Echtzeitüberwachung des Wachstumsstatus von Mikroorganismen
Derzeit können automatisierte Systeme die Aktivität von Bakterien nur indirekt über Parameter wie gelösten Sauerstoff und pH-Wert bestimmen. Es fehlt die Echtzeitüberwachung wichtiger physiologischer Indikatoren wie Zelldichte, Stoffwechselrate und Substratverbrauch, was die Weiterentwicklung intelligenter Steuerungssysteme einschränkt.
III. Regelungsstrategien und Modellierungsschwierigkeiten
Das automatische Steuerungssystem basiert auf Steuerungsalgorithmen wie PID, Fuzzy-Steuerung, adaptiver Steuerung usw. Folgende Probleme treten jedoch relativ häufig auf:
Der Fermentationsprozess ist stark nichtlinear, und die herkömmliche PID-Regelung lässt sich nur schwer an alle Phasen anpassen.
Die Stoffwechseleigenschaften verschiedener Bakterienarten variieren stark, und es ist unmöglich, ein einziges Modell universell anwendbar zu machen.
Zwischen multivariaten Systemen besteht eine starke Wechselwirkung. Die Veränderung einer Variablen kann eine Kettenreaktion auslösen.
Die Modellierung von Prozessen ist schwierig, insbesondere wenn es an Daten mangelt oder der physiologische Mechanismus noch nicht klar ist.
IV. Systemintegration und Software- und Hardwarestabilität
1. Probleme der Systemintegration
Fermentationsanlagen umfassen oft mehrere Automatisierungsmodule: Zufuhrsteuerung, Gasdurchflussmesser, Pumpen- und Ventilantriebe, Heiz- und Kühlsysteme, Online-Detektionssysteme usw. Bei der Systemintegration treten folgende Schwierigkeiten auf:
Die Gerätevereinbarungen verschiedener Hersteller sind inkompatibel.
Die Steuerungsplattformen sind vielfältig (z. B. SPS, DCS, SCADA usw.), und es fehlt eine einheitliche Schnittstelle.
Es kommt zu einer Verzögerung bei der Datenerfassung und -verarbeitung, was die Reaktionsgeschwindigkeit beeinträchtigt.
2. Probleme mit der Zuverlässigkeit der Ausrüstung
Sensoren neigen bei Langzeitbetrieb zu Ausfällen.
Aktuatoren wie Magnetventile und Pumpen weisen Probleme wie Verschleiß, Verstopfung und Reaktionsverzögerung auf.
Hohe Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit und korrosive Umgebungen haben erhebliche Auswirkungen auf elektronische Systeme und können leicht zu Fehlfunktionen oder Systemausfällen führen.
V. Schwellenwert für Mensch-Computer-Interaktions- und Bedienfähigkeiten
Obwohl automatisierte Systeme darauf ausgelegt sind, menschliche Eingriffe zu reduzieren, ist in der Realität Folgendes zu beobachten:
Die Bediener müssen über bestimmte kombinierte Fähigkeiten verfügen, wie z. B. elektrische Steuerung, Programmierung und Instrumentenwartung.
Die Systemkonfiguration ist komplex, und falsche Parametereinstellungen können schwerwiegende Folgen haben.
Wenn die Bedienoberfläche unfreundlich oder das Alarmsystem unklar ist, steigt das Risiko von Bedienungsfehlern.
Zudem herrscht in einigen kleinen und mittleren Unternehmen ein Mangel an technischem Personal, und die Schulungskosten sind hoch. Daher werden Automatisierungssysteme oft vernachlässigt oder nur „manuell halbautomatisiert“ betrieben, weil man „nicht weiß, wie man sie bedient“.
VI. Investitionskosten und wirtschaftliche Überlegungen
Die Anfangsinvestition für ein automatisiertes Fermentationssystem ist hoch, hauptsächlich einschließlich:
Anschaffung von automatisierten Instrumenten und Geräten (wie z. B. hochpräzisen Sensoren und Steuerungen);
Entwicklung oder Kauf von Softwareplattformen (SCADA-System, Fernüberwachung usw.);
Kosten für Systemintegration und Fehlersuche
Kosten für die Schulung und Instandhaltung des technischen Personals.
Für kleine und mittlere Fermentationsunternehmen oder Forschungseinrichtungen sind wirtschaftliche Erträge kurzfristig schwer zu erzielen, was die Verbreitung der Automatisierung einschränkt.
VII. Lösungsansätze und zukünftige Ausrichtung
Obwohl die automatisierte Fermentation mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert ist, kann sie schrittweise durch folgende Methoden optimiert werden:
Eine intelligente Steuerungsstrategie anwenden
Methoden wie KI-Algorithmen, neuronale Netzwerksteuerung und digitale Zwillingsmodellierung werden eingeführt, um eine dynamische und prädiktive Regelung und Steuerung zu erreichen.
Entwicklung kostengünstiger und hochstabiler Sensoren
Förderung des Ersatzes importierter Sensoren durch einheimische Sensoren zur Verbesserung der Stabilität und des Kosten-Nutzen-Verhältnisses; Entwicklung nicht-invasiver und Biosensor-Technologien.
Modulares und standardisiertes Systemdesign realisieren
Durch die Vereinheitlichung des Schnittstellenprotokolls wird die Integration verschiedener Geräte und Systeme vereinfacht.
Stärkung der Bedienerschulung und Optimierung der Mensch-Maschine-Schnittstellen
Die Benutzerfreundlichkeit des Systems verbessern, die Bedienungsschwelle senken und es auch Nicht-Fachleuten ermöglichen, die Nutzung des Systems zu beherrschen.
Politikunterstützung durch Regierung und Industrie
Die Lokalisierung und intelligente Entwicklung von High-End-Fermentationsanlagen soll gefördert, finanzielle und technische Unterstützung bereitgestellt und die Einstiegshürde für Unternehmen gesenkt werden.
MIKEBIO-Fermentationssystem für Pflanzenernährung
Abschluss
Die zukünftige Entwicklung der industriellen Fermentation wird zwangsläufig auf der tiefgreifenden Integration von Automatisierung und künstlicher Intelligenz beruhen. Obwohl derzeit noch zahlreiche Herausforderungen in Bezug auf Technologie, Ausrüstung, Kosten und Management bestehen, wird die Anwendung automatisierter Steuerungssysteme in der industriellen Fermentation mit dem Fortschritt der Sensortechnik, der Reife von KI-Steuerungsalgorithmen und der wachsenden Branchenerfahrung immer perfektionierter werden. Auf dem Weg zu einer effizienten, sicheren und nachhaltigen Produktion bleibt das automatisierte Fermentationssystem eine unverzichtbare Stütze.
Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.
Unser Unternehmen verfügt über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden professionelle Qualität und technischen Support zu bieten.