Los desafíos de la aplicación de los sistemas de control automatizados en la fermentación industrial.
Introducción
Con el rápido desarrollo de la biotecnología industrial, la tecnología de fermentación desempeña un papel crucial en campos como el farmacéutico, alimentario, químico y agrícola. Para aumentar la producción, garantizar la calidad del producto y reducir los costos laborales, los **Sistemas de Control Automatizado** se aplican cada vez más en el proceso de fermentación industrial. Estos sistemas, mediante el monitoreo y la regulación en tiempo real de parámetros clave como la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto, la velocidad de agitación y el suministro de nutrientes, hacen que el proceso de fermentación sea más refinado y eficiente. Sin embargo, la amplia aplicación de sistemas automatizados en la fermentación industrial real todavía enfrenta muchos desafíos, incluyendo la complejidad técnica, la confiabilidad de los sensores, la dificultad en la integración del sistema y las diferencias entre cepas. Este artículo explorará sistemáticamente los principales desafíos que enfrentan los sistemas de control automatizado en sistema de fermentación industrial y proponer algunas soluciones.
I. La complejidad del proceso de fermentación industrial
La fermentación industrial es un proceso altamente no lineal con cambios dinámicos drásticos, influenciado por múltiples variables:
Las rutas metabólicas de los microorganismos son complejas, y la generación de productos está estrechamente relacionada con los cambios ambientales.
Existen interacciones entre diversos parámetros (por ejemplo, la temperatura afecta al oxígeno disuelto, y el oxígeno disuelto a su vez afecta a la tasa metabólica);
Factores como las diferencias entre los lotes de materia prima y la adaptabilidad de las cepas también tienen un impacto significativo en la dinámica de la fermentación.
Para que un sistema automatizado pueda controlar con precisión un proceso tan complejo, debe poseer capacidades altamente inteligentes de reconocimiento de datos, ajuste de modelos y toma de decisiones, lo cual en sí mismo representa un desafío de ingeniería.
Sistema de control automático MIKEBIO AT8000
II. Dificultades en el monitoreo de parámetros clave
1. Desafíos en el control del oxígeno disuelto (OD)
El oxígeno disuelto es un factor clave que afecta la actividad metabólica de los microorganismos aerobios, pero su control es bastante difícil:
La transferencia de masa de oxígeno se ve afectada por factores como el caudal de gas, la velocidad de agitación y la viscosidad del líquido.
Cuando aumenta el volumen del tanque de almacenamiento, la eficiencia de transferencia de oxígeno disminuye significativamente.
Las sondas de oxígeno disuelto comunes en el mercado tienen un tiempo de respuesta lento, una gran deriva y son propensas a la contaminación.
Si la detección de oxígeno disuelto es imprecisa, el comportamiento del sistema automático de reposición de oxígeno o el ajuste de la agitación pueden dar lugar a errores de cálculo, lo que afecta a la generación del producto.
2. Problemas con los sensores de pH y temperatura
El electrodo de pH es muy susceptible a la contaminación y la pasivación, por lo que se requiere una calibración frecuente durante su funcionamiento a largo plazo.
El caldo de fermentación puede contener una alta viscosidad o espuma, lo que provoca lecturas inexactas del sensor.
Aunque el control de la temperatura es relativamente sencillo, el sobrecalentamiento localizado o la baja eficiencia del intercambio de calor aún pueden causar problemas.
3. Monitoreo insuficiente en tiempo real del estado de crecimiento de los microorganismos.
En la actualidad, los sistemas automatizados solo pueden determinar indirectamente la actividad de las bacterias a través de parámetros como el oxígeno disuelto y el pH, careciendo de una monitorización en tiempo real de indicadores fisiológicos clave como la densidad celular, la tasa metabólica y el consumo de sustrato, lo que limita el desarrollo posterior del control inteligente.
III. Estrategias de control y dificultad del modelado
El sistema de control automático se basa en algoritmos de control, como PID, control difuso, control adaptativo, etc. Sin embargo, los siguientes problemas son relativamente importantes:
El proceso de fermentación es altamente no lineal, y el control PID tradicional es difícil de adaptar a todas las etapas.
Las características metabólicas de las distintas especies bacterianas varían enormemente, y es imposible que un único modelo sea universalmente aplicable.
Existe un fuerte acoplamiento entre los sistemas multivariados. Ajustar una variable puede desencadenar una reacción en cadena.
La modelización de procesos es difícil, especialmente cuando hay falta de datos o el mecanismo fisiológico aún no está claro.
IV. Integración del sistema y estabilidad del software y del hardware
1. Problemas de integración de sistemas múltiples
Los talleres de fermentación suelen involucrar múltiples módulos de automatización: control de alimentación, caudalímetros de gas, actuadores de bombas y válvulas, sistemas de calefacción y refrigeración, sistemas de detección en línea, etc. Durante la integración del sistema surgen las siguientes dificultades:
Los acuerdos de equipos de diferentes fabricantes son incompatibles.
Las plataformas de control son diversas (como PLC, DCS, SCADA, etc.) y existe una falta de interfaz unificada.
Existe un retraso en la adquisición y el procesamiento de datos, lo que afecta a la velocidad de respuesta.
2. Problemas de fiabilidad de los equipos
Los sensores son propensos a fallar durante un funcionamiento prolongado.
Los actuadores, como las electroválvulas y las bombas, presentan problemas como el desgaste, la obstrucción y el retraso en la respuesta.
Las altas temperaturas, la alta humedad y los entornos corrosivos tienen un impacto significativo en los sistemas electrónicos, provocando fácilmente fallos de funcionamiento o caídas del sistema.
V. Umbral para las habilidades de interacción y operación humano-computadora
Aunque los sistemas automatizados están diseñados para reducir la intervención humana, en realidad:
Los operarios deben poseer ciertas habilidades compuestas, como control eléctrico, programación y mantenimiento de instrumentos.
La configuración del sistema es compleja y una configuración incorrecta de los parámetros puede acarrear graves consecuencias.
Cuando la interfaz de operación es poco intuitiva o el sistema de alarmas no es claro, aumenta el riesgo de errores operativos.
Además, en algunas pequeñas y medianas empresas, existe escasez de personal técnico y el costo de la capacitación es elevado. Como resultado, los sistemas de automatización suelen quedar relegados o se implementan de forma semiautomatizada y manual debido a la falta de conocimiento sobre su uso.
VI. Costo de la inversión y consideraciones económicas
La inversión inicial para un sistema de fermentación automatizado es alto, incluyendo principalmente:
Adquisición de instrumentos y equipos automatizados (como sensores y controladores de alta precisión);
Desarrollo o adquisición de plataformas de software (sistema SCADA, monitorización remota, etc.);
Costos de integración y depuración del sistema
Costos de capacitación y mantenimiento del personal técnico.
Para las pequeñas y medianas empresas de fermentación o instituciones de investigación, es difícil obtener beneficios económicos a corto plazo, lo que limita la popularización de la automatización.
VII. Ideas para la solución y direcciones futuras
Si bien la fermentación automatizada presenta múltiples desafíos, puede optimizarse gradualmente mediante los siguientes métodos:
Adoptar una estrategia de control inteligente
Introducir métodos como algoritmos de IA, control mediante redes neuronales y modelado de gemelos digitales para lograr una regulación y un control dinámicos y predictivos.
Desarrollar sensores de bajo costo y alta estabilidad.
Promover la sustitución de sensores importados por sensores nacionales para mejorar la estabilidad y la relación coste-beneficio; desarrollar tecnologías no invasivas y de biosensores.
Lograr un diseño de sistema modular y estandarizado
Al unificar el protocolo de interfaz, se simplifica la dificultad de integración entre diferentes dispositivos y sistemas.
Reforzar la formación de los operarios y la optimización de las interfaces hombre-máquina.
Mejorar la usabilidad del sistema, reducir la complejidad operativa y permitir que personas sin conocimientos técnicos dominen su uso.
Apoyo a las políticas gubernamentales y de la industria
Fomentar la localización y la optimización de los equipos de fermentación de alta gama, proporcionar apoyo financiero y técnico, y reducir las barreras de entrada para que las empresas puedan utilizarlos.
Sistema de fermentación MIKEBIO para la nutrición de plantas
Conclusión
El futuro desarrollo de la fermentación industrial dependerá sin duda de la profunda integración de la automatización y la inteligencia artificial. Si bien aún existen numerosos obstáculos en cuanto a tecnología, equipamiento, costes y gestión, con el avance de la tecnología de sensores, la madurez de los algoritmos de control de inteligencia artificial y la acumulación de experiencia en el sector, la aplicación de sistemas de control automatizados en la fermentación industrial se perfeccionará cada vez más. En el camino hacia el logro de los objetivos de una producción eficiente, segura y sostenible, el sistema de fermentación automatizado sigue siendo un elemento clave e indispensable.
Por otro lado, al elegir un fermentador biorreactorEs necesario encontrar un fabricante confiable, con buena reputación y solidez, para garantizar la calidad del producto. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd., fundada en 2008, es una empresa de alta tecnología dedicada a la investigación, desarrollo, producción y venta de equipos de fermentación biológica. Nuestra empresa cuenta con una plataforma piloto de fermentación, que integra inteligencia y automatización, y ha desarrollado un sistema de fermentación avanzado que permite optimizar el proceso de fermentación piloto, gestionar el desarrollo de todos los procesos, desde la producción hasta la separación y purificación del producto final. Además, contamos con una estación de trabajo para médicos y un laboratorio moderno.
Nuestra empresa dispone de una planta de producción estandarizada, con conjuntos completos de equipos y herramientas necesarios para la instalación, que incluyen principalmente una variedad de máquinas herramienta, máquina de soldadura automática por arco de argón, máquina de pulido automática, máquina de corte automática y máquina de detección de defectos, además de más de 60 conjuntos de equipos de producción y prueba. Todo el proceso de producción cumple con los estándares operativos modernos, para brindar a los clientes una calidad más profesional y un mejor soporte técnico.