Automatisches Steuerungssystem moderner Gärtanks: Steuerungsstrategien, PID-Regelung und Alarmmechanismus

Die Entwicklung moderner Biotechnologie ist untrennbar mit fortschrittlicher Fermentationstechnologie verbunden. Als zentrales Anlagenteil beeinflusst die Leistungsfähigkeit des automatischen Steuerungssystems des Fermentationsbehälters unmittelbar die Effizienz und Qualität der mikrobiellen Fermentation. Mit der zunehmenden Verbreitung von Konzepten der intelligenten Fertigung und der digitalen Fabrik gewinnt die automatische Steuerung moderner Fermentationsanlagen immer mehr an Bedeutung. Gärtanks ist zunehmend verfeinert und intelligenter geworden, insbesondere bei der Kontrolle wichtiger Parameter wie pH-Wert, gelöster Sauerstoff (DO), Schaumbildung (Foam) und Temperatur.

Dieser Artikel erläutert systematisch die Kernsteuerungsobjekte des automatischen Steuerungssystems moderner Gärtanks, die typischen PID-Regelungsmethoden und die Entwurfslogik des gesamten Alarmsystems.

I. Überblick über das automatische Steuerungssystem für Fermentationsgefäße

Moderne Fermentationsgefäße finden breite Anwendung in Branchen wie der Pharma-, Lebensmittel-, Chemie- und Bioenergieindustrie. Der Fermentationsprozess erfordert die Aufrechterhaltung spezifischer physiologischer Bedingungen, um optimales Wachstum und höchste Stoffwechseleffizienz der Zielmikroorganismen zu gewährleisten. Das automatische Steuerungssystem nutzt Sensoren, Aktoren, SPS/DCS-Systeme und übergeordnete Computersoftware zur Echtzeit-Erfassung und Regelung wichtiger Prozessparameter.

Die Steuerungsobjekte umfassen im Wesentlichen:

• pH-Wert (Säure-Base-Wert)
• DO (gelöster Sauerstoff)
• Temperatur (Temperatur)
• Schaumstoff (Foam)
• Rührgeschwindigkeit (RPM) und Luftstrom (Airflow) werden häufig auch als zusätzliche Steuerungsfaktoren verwendet, um an der Regelung im geschlossenen Regelkreis teilzunehmen.

II. Strategie zur automatischen pH-Wert-Regelung

Der pH-Wert ist ein wichtiger Parameter, der den mikrobiellen Stoffwechsel beeinflusst. Die meisten Mikroorganismen weisen nur einen geringen pH-Anpassungsbereich auf; sowohl zu hohe als auch zu niedrige pH-Werte können die Enzymaktivität hemmen und somit das Zellwachstum und die Produktsynthese beeinträchtigen.

1. Kontrollmethode:

Der pH-Wert der Flüssigkeit im Tank wird in Echtzeit mittels eines Online-pH-Elektrodenmesssystems gemessen und an die SPS-Steuerung zurückgemeldet. Die Durchflussrate der Säure- oder Laugenflüssigkeit wird durch den PID-Regler geregelt.

2. PID-Regelungsstrategie:

• Proportional-P-Link: Sorgt für eine schnelle Reaktion auf Abweichungen, neigt aber dazu, stationäre Fehler zu verursachen.
• Integral (I) Link: Eliminiert Abweichungen und verhindert die Anhäufung von stationären Fehlern.
• Derivative (D)-Link: Sagt Trendänderungen im Voraus voraus und unterdrückt Überschwingen.

3. Steuermodus:

Doppeldosierung: Obere und untere Abweichungsbereiche festlegen. Liegt der pH-Wert unter dem eingestellten Wert, wird automatisch Alkali zugegeben; liegt er darüber, wird Säure zugegeben.

 Frequenzumrichter-Pumpenregelung: Die Zufuhrrate von Säure oder Lauge wird über das PID-Ausgangsverhältnis angepasst, um eine dynamische Regelung zu erreichen.

III. Strategie zur Kontrolle des gelösten Sauerstoffs (DO).

Gelöster Sauerstoff ist ein entscheidender Parameter für den aeroben mikrobiellen Stoffwechsel. Der Sauerstoffgehalt wird typischerweise zwischen 20 % und 60 % eingestellt, um den Sauerstoffbedarf für das mikrobielle Wachstum zu decken.

1. Mehrstufiger, verknüpfter Regulierungsmechanismus:

Moderne Gärtanks verwenden eine „gestufte Regelungsstrategie“ für den gelösten Sauerstoff (DO), indem sie die folgenden Aktoren nacheinander miteinander verbinden:

**Rührgeschwindigkeit (U/min)** erhöhen

**Luftstrom**-Einstellung

Zusätzliche Zufuhr von reinem Sauerstoff (falls immer noch unzureichend)

Druckregulierung (gilt für geschlossene Tanks)

MIKEBIO Großproduktionsfermentationssystem

2. PID-Strategie für die DO-Regelung:

Die DO-Elektrode gibt kontinuierlich ein Signal aus. Der PID-Algorithmus, basierend auf der Differenz zwischen Soll- und Istwert, gibt ein Steuersignal an den Frequenzumrichter oder das Magnetventil aus.

Bei starken Schwankungen des Sauerstoffgehalts (DO) wird empfohlen, den P-Wert zu senken und den I-Wert entsprechend zu erhöhen, um die Systemoszillation zu reduzieren.

3. Zusätzliche Algorithmen:

Totzonenregelung: DO passt sich nicht innerhalb eines angemessenen Bereichs an, um eine übermäßige Reaktion zu vermeiden.

Fuzzy-Regelung oder adaptiver PID-Regler: Geeignet für nichtlineare dynamische Eigenschaften, die durch Laständerungen bei großtechnischen Fermentationsanlagen verursacht werden.

IV. Automatische Schaumsteuerung

Übermäßiger Schaum kann zu Flüssigkeitsüberlauf, Kontamination und Behinderung des Sauerstoffaustauschs usw. führen. Daher darf die Schaumkontrolle nicht vernachlässigt werden.

1. Überwachungsmethoden:

Installieren Sie leitfähige oder kapazitive Schaumsensoren, um zu erkennen, ob die Flüssigkeitsoberfläche die Sensorsonde berührt.

Es können mehrere Alarmstufen für Schaumbildung eingestellt werden. Erreicht der Schaum beispielsweise einen hohen Füllstand, wird ein automatisches Entschäumungsprogramm ausgelöst.

2. Kontrollstrategien:

Automatische Entschäumerzugabe: Nach Erhalt des Schaumalarmsignals wird die Entschäumerpumpe über das Magnetventil gesteuert, um eine bestimmte Menge Entschäumer in den Tank einzuspritzen.

Die PID-Regelung wird nicht häufig eingesetzt, da das Schaumverhalten momentanen Änderungen unterliegt und sich daher nicht für eine kontinuierliche Regelung eignet.

V. Temperaturregelungssystem

Die Temperaturkontrolle während der Fermentation ist für die Enzymaktivität und das mikrobielle Wachstum von entscheidender Bedeutung. Sie wird üblicherweise im Bereich von 30–37 °C gehalten.

1. Kontrollprinzip:

Die Temperatursonde misst die Temperatur in Echtzeit.

Das Steuerungssystem regelt den Durchfluss von kaltem oder heißem Wasser im Tankmantel und vervollständigt die Temperaturregelung durch Anpassen des Proportionalventils oder der Leistung des Heizgeräts.

2. Steuermodus:

Kombination aus Kühlwasserregelventil und elektrischer Heizung

PID-Regelungsstrategie:

Die Temperaturregelung ist relativ stabil, und die P- und I-Werte können kleiner eingestellt werden, um einen stationären Zustand aufrechtzuerhalten.

3. Sicherheitsmechanismus:

Das System kann obere und untere Grenzwerte für die Temperatur festlegen und verfügt über einen Verriegelungsmechanismus zur Abschaltung, um eine Sterilisation bei hohen Temperaturen oder ein Versagen der Fermentation bei niedrigen Temperaturen zu verhindern.

VI. Alarmsystemdesign

Ein gut konzipiertes Alarmsystem ist entscheidend für die Sicherheit und den stabilen Betrieb von Fermentationsprozessen. Das automatische Steuerungssystem sollte daher mehrere Alarm- und Fehlerschutzfunktionen umfassen.

1. Alarmstufenklassifizierung:

• Warnstufe (Warnung): Weist auf eine Anomalie hin, beeinträchtigt aber nicht den Betrieb.
• Alarmstufe (Alarm): Erfordert manuelles Eingreifen oder eine Verriegelungssteuerung
• Notabschaltstufe (Notfall): Unterbricht sofort den Gärungsprozess, um die Sicherheit von Personal und Anlagen zu gewährleisten.

2. Beispiele für Alarmelemente

Parameter	Alarmzustände	Reaktionsmaßnahme
pH	>Einstellung+0,5 oder	Alarmmeldung/Pumpengeschwindigkeit anpassen
Temperatur	>38℃ oder	Verriegelung zur Verhinderung der Gärung
Schaum	Erreichen Sie die Sonde	Entschäumer automatisch hinzufügen
Rührwerk	Überlastung oder Stopp	Verriegelung abgeschaltet

3. Alarmaufzeichnungen und Rückverfolgbarkeit:

Alle Alarme sollten automatisch den Zeitstempel, die Auslöseparameter und die Reaktionszeit des Bedieners aufzeichnen.

Die Daten werden zur historischen Abfrage und Prozessoptimierung in das MES- oder SCADA-System hochgeladen.

VII. Systemintegration und übergeordnetes Rechnermanagement

Moderne Steuerungssysteme für Fermentationstanks basieren üblicherweise auf der Architektur SPS + HMI/SCADA und unterstützen Fernüberwachung und Datenerfassung:

Die **SPS (z. B. Siemens S7, Mitsubishi FX-Serie)** ist für die zugrundeliegende Steuerungslogik verantwortlich.

Die HMI- oder SCADA-Schnittstelle zeigt Echtzeitparameter, Trenddiagramme und Alarmprotokolle an.

Es unterstützt Schnittstellen zu LIMS- oder MES-Systemen für die Chargenverfolgung und Qualitätskontrolle.

MIKEBIO Laborbioreaktor-Fermenter

VIII. Schlussfolgerung

Durch die kontinuierliche Integration von Biotechnologie und Automatisierung entwickelt sich die automatische Steuerung von Fermentationsbehältern hin zu höherer Intelligenz, Integration und Modularisierung. Dank wissenschaftlicher PID-Regelungsstrategien und vielfältiger Alarmmechanismen verbessern moderne Fermentationssysteme nicht nur die Prozessstabilität signifikant, sondern bilden auch eine solide Grundlage für die Skalierung und Konsistenz der biologischen Produktion.

Zukünftig werden mithilfe von KI-Algorithmen, selbstlernender Steuerung und Big-Data-Analyse die intelligente Optimierung und Echtzeit-Anpassung des Fermentationsprozesses Realität werden und der Biotechnologiebranche neue Dynamik verleihen.

Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor GärbehälterUm 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 auf Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiertes Hightech-Unternehmen. Unser Unternehmen verfügt über Pilotfermenter Die Plattform ist mit Intelligenz und Automatisierung ausgestattet und verfügt über ein ausgereiftes Fermentationssystem, das die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme und Entwicklung aller Prozessprozesse von der Pilotfermentationsproduktion bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte sowie die Einrichtung einer Arzt-Workstation und eines modernen Labors ermöglicht.

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.