Les défis d'application des systèmes de contrôle automatisés dans la fermentation industrielle
Introduction
Avec le développement rapide des biotechnologies industrielles, la fermentation joue un rôle crucial dans des secteurs tels que la pharmacie, l'agroalimentaire, la chimie et l'agriculture. Afin d'accroître la production, de garantir la qualité des produits et de réduire les coûts de main-d'œuvre, les systèmes de contrôle automatisés sont de plus en plus utilisés dans les procédés de fermentation industrielle. Ces systèmes, grâce à la surveillance et à la régulation en temps réel de paramètres clés tels que la température, le pH, l'oxygène dissous, la vitesse d'agitation et l'apport de nutriments, optimisent et rendent plus efficace le processus de fermentation. Cependant, l'application généralisée des systèmes automatisés à la fermentation industrielle se heurte encore à de nombreux obstacles, notamment la complexité technique, la fiabilité des capteurs, la difficulté d'intégration des systèmes et les différences entre les souches. Cet article explorera de manière systématique les principaux défis rencontrés par les systèmes de contrôle automatisés. système de fermentation industrielle et proposer des solutions.
I. La complexité du processus de fermentation industrielle
La fermentation industrielle est un processus hautement non linéaire avec des changements dynamiques drastiques, influencés par de multiples variables :
Les voies métaboliques des micro-organismes sont complexes, et la production de métabolites est étroitement liée aux changements environnementaux.
Il existe des interactions entre différents paramètres (par exemple, la température affecte l'oxygène dissous, et l'oxygène dissous à son tour affecte le taux métabolique) ;
Des facteurs tels que les différences entre les lots de matières premières et l'adaptabilité des souches ont également un impact significatif sur la dynamique de fermentation.
Pour qu'un système automatisé puisse contrôler avec précision un processus aussi complexe, il doit posséder des capacités de reconnaissance de données, d'ajustement de modèles et de prise de décision hautement intelligentes, ce qui constitue en soi un défi d'ingénierie.
Système de contrôle automatique MIKEBIO AT8000
II. Difficultés de surveillance des paramètres clés
1. Défis liés au contrôle de l'oxygène dissous (OD)
L'oxygène dissous est un facteur clé qui influence l'activité métabolique des micro-organismes aérobies, mais son contrôle est plutôt difficile :
Le transfert de masse d'oxygène est influencé par des facteurs tels que le débit de gaz, la vitesse d'agitation et la viscosité du liquide.
Lorsque le volume du réservoir de stockage augmente, l'efficacité du transfert d'oxygène diminue considérablement.
Les sondes à oxygène dissous courantes sur le marché ont un temps de réponse lent, une dérive importante et sont sujettes à la contamination.
Lorsque la détection de l'oxygène dissous est inexacte, le comportement du réapprovisionnement automatique en oxygène ou du réglage de l'agitation peut conduire à une erreur d'appréciation, affectant ainsi la génération du produit.
2. Problèmes liés aux capteurs de pH et de température
L'électrode de pH est très sensible à la contamination et à la passivation, et un étalonnage fréquent est nécessaire lors d'un fonctionnement à long terme.
Le bouillon de fermentation peut contenir une viscosité élevée ou de la mousse, ce qui peut entraîner des lectures de capteur inexactes.
Bien que le contrôle de la température soit relativement facile, une surchauffe locale ou une faible efficacité d'échange thermique peuvent tout de même causer des problèmes.
3. Surveillance en temps réel insuffisante de l'état de croissance des micro-organismes
À l'heure actuelle, les systèmes automatisés ne peuvent déterminer l'activité des bactéries qu'indirectement, par le biais de paramètres tels que l'oxygène dissous et le pH, car ils ne permettent pas de surveiller en temps réel les principaux indicateurs physiologiques tels que la densité cellulaire, le taux métabolique et la consommation de substrat, ce qui limite le développement ultérieur du contrôle intelligent.
III. Stratégies de contrôle et difficulté de modélisation
Le système de commande automatique repose sur des algorithmes de contrôle, tels que le PID, la commande floue, la commande adaptative, etc. Cependant, les problèmes suivants sont relativement importants :
Le processus de fermentation est très non linéaire, et la régulation PID traditionnelle est difficile à adapter à toutes les étapes.
Les caractéristiques métaboliques des différentes espèces bactériennes varient considérablement, et il est impossible qu'un seul modèle soit universellement applicable.
Il existe un fort couplage entre les systèmes multivariés. La modification d'une seule variable peut déclencher une réaction en chaîne.
La modélisation des processus est difficile, surtout lorsqu'il y a un manque de données ou que le mécanisme physiologique n'est pas encore clair.
IV. Intégration du système et stabilité des logiciels et du matériel
1. Problèmes d'intégration multisystème
Les ateliers de fermentation font souvent appel à de multiples modules d'automatisation : contrôle de l'alimentation, débitmètres de gaz, actionneurs de pompes et de vannes, systèmes de chauffage et de refroidissement, systèmes de détection en ligne, etc. L'intégration du système présente les difficultés suivantes :
Les contrats d'équipement des différents fabricants sont incompatibles.
Les plateformes de contrôle sont diverses (telles que les automates programmables, les systèmes de contrôle-commande distribués, les systèmes SCADA, etc.) et il n'existe pas d'interface unifiée.
Il existe un délai dans l'acquisition et le traitement des données, ce qui affecte la vitesse de réponse.
2. Problèmes de fiabilité des équipements
Les capteurs sont sujets aux pannes lors d'un fonctionnement prolongé.
Les actionneurs tels que les électrovannes et les pompes présentent des problèmes tels que l'usure, le blocage et le délai de réponse.
Les températures élevées, l'humidité élevée et les environnements corrosifs ont un impact significatif sur les systèmes électroniques, provoquant facilement des dysfonctionnements ou des pannes système.
V. Seuil de compétences en interaction et en fonctionnement homme-machine
Bien que les systèmes automatisés soient conçus pour réduire l'intervention humaine, en réalité :
Les opérateurs doivent posséder certaines compétences combinées telles que la commande électrique, la programmation et la maintenance des instruments.
La configuration du système est complexe et des paramètres incorrects peuvent entraîner de graves conséquences.
Lorsque l'interface utilisateur est peu conviviale ou que le système d'alarme est ambigu, le risque d'erreurs d'utilisation augmente.
De plus, dans certaines PME, le manque de personnel technique et le coût élevé de la formation font que les systèmes d'automatisation sont souvent délaissés ou semi-automatisés manuellement, faute de savoir les utiliser.
VI. Coût de l'investissement et considérations économiques
L'investissement initial pour un système de fermentation automatisé est élevé, notamment en raison de :
Acquisition d’instruments et d’équipements automatisés (tels que des capteurs et des contrôleurs de haute précision) ;
Développement ou acquisition de plateformes logicielles (système SCADA, surveillance à distance, etc.) ;
coûts d'intégration et de débogage du système
Coûts de formation et de maintenance du personnel technique.
Pour les petites et moyennes entreprises de fermentation ou les instituts de recherche, il est difficile de constater des retours économiques à court terme, ce qui limite la popularisation de l'automatisation.
VII. Idées de solutions et orientations futures
Bien que la fermentation automatisée soit confrontée à de multiples défis, elle peut être progressivement optimisée grâce aux méthodes suivantes :
Adopter une stratégie de contrôle intelligente
Introduire des méthodes telles que les algorithmes d'IA, le contrôle par réseau neuronal et la modélisation de jumeaux numériques pour parvenir à une régulation et un contrôle dynamiques et prédictifs.
Développer des capteurs peu coûteux et très stables
Promouvoir le remplacement des capteurs importés par des capteurs nationaux afin d'améliorer la stabilité et le rapport coût-efficacité ; développer des technologies non invasives et des biocapteurs.
Réaliser une conception de système modulaire et standardisée
L'unification du protocole d'interface simplifie l'intégration entre différents appareils et systèmes.
Renforcer la formation des opérateurs et l'optimisation des interfaces homme-machine
Améliorer la convivialité du système, abaisser le seuil d'utilisation et permettre aux non-professionnels de maîtriser son utilisation.
soutien politique gouvernemental et industriel
Encourager la localisation et l'intelligence des équipements de fermentation haut de gamme, fournir un soutien financier et technique et abaisser les seuils d'utilisation pour les entreprises.
Système de fermentation MIKEBIO pour la nutrition des plantes
Conclusion
Le développement futur de la fermentation industrielle repose indissociable d'une intégration poussée de l'automatisation et de l'intelligence artificielle. Malgré les nombreux obstacles actuels liés à la technologie, aux équipements, aux coûts et à la gestion, les progrès des capteurs, la maturité des algorithmes de contrôle par intelligence artificielle et l'accumulation d'expérience industrielle permettront d'optimiser l'application des systèmes de contrôle automatisés à la fermentation industrielle. Sur la voie d'une production efficace, sûre et durable, le système de fermentation automatisé demeure un élément clé indispensable.
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Notre entreprise dispose d'une usine de production standardisée, dotée de l'ensemble des équipements et outils nécessaires à l'installation, comprenant principalement une variété de machines-outils, une machine de soudage automatique à l'arc sous argon, une polisseuse automatique, une machine de découpe automatique et une machine de détection des défauts, ainsi que plus de 60 autres équipements de production et de test. Le processus de production est entièrement conforme aux normes modernes, afin d'offrir aux clients une qualité et un support technique plus professionnels.