Ứng dụng công nghệ tự động điều khiển trong lên men sinh học
2020-07-01
Các đặc tính của các thông số phản ứng lên men sinh học rất đa dạng. Chúng không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn thay đổi theo quá trình chuyển hóa của hệ vi sinh. Đồng thời, quy luật cũng thay đổi, đây là một hệ thống phi tuyến. Ban đầu, phân tích trong phòng thí nghiệm được thực hiện bằng cách lấy mẫu thủ công để thu thập thông tin về các biến số của hệ thống lên men, từ đó kiểm soát toàn bộ quá trình lên men. Mặc dù phương pháp vận hành ít tự động này giúp tiết kiệm vốn đầu tư thiết bị ban đầu, nhưng khi sử dụng cũng nảy sinh một số vấn đề: chi phí lao động tăng, tiêu hao nguyên liệu và năng lượng lớn, hiệu suất sử dụng thiết bị thấp, độ trễ phản hồi thông tin thông số, sai sót trong thao tác của nhân viên và năng suất sản phẩm không ổn định.
Trước sự cạnh tranh thị trường ngày càng gay gắt, ngày càng nhiều doanh nghiệp tìm cách cải tiến quy trình sản xuất, chẳng hạn như đưa hệ thống điều khiển tự động vào quá trình lên men, sử dụng công nghệ thử nghiệm, công nghệ cảm biến, công nghệ điều khiển dự báo mờ để điều khiển số hóa nhiệt độ, áp suất bồn, pH, oxy hòa tan, lưu lượng khí, lượng nạp liệu, bọt, tốc độ khuấy và hiển thị lỗi vận hành của động cơ. Điều này không chỉ tiết kiệm đáng kể nhân lực mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Trước sự cạnh tranh thị trường ngày càng gay gắt, ngày càng nhiều doanh nghiệp tìm cách cải tiến quy trình sản xuất, chẳng hạn như đưa hệ thống điều khiển tự động vào quá trình lên men, sử dụng công nghệ thử nghiệm, công nghệ cảm biến, công nghệ điều khiển dự báo mờ để điều khiển số hóa nhiệt độ, áp suất bồn, pH, oxy hòa tan, lưu lượng khí, lượng nạp liệu, bọt, tốc độ khuấy và hiển thị lỗi vận hành của động cơ. Điều này không chỉ tiết kiệm đáng kể nhân lực mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Giới thiệu hệ thống điều khiển tự động lên men
Thông số lên men là các đặc tính sinh lý và sinh hóa của quá trình lên men và chủng vi sinh, đồng thời cũng là cơ sở chính để con người điều khiển quá trình lên men. Trong quá trình lên men, then chốt để đạt được điều khiển tự động là các cảm biến dùng để đo các thông số khác nhau. Sự thay đổi của các biến trong quá trình lên men được cảm biến phát hiện sẽ được bộ truyền tín hiệu chuyển đổi từ tín hiệu phi điện sang tín hiệu điện tiêu chuẩn. Cuối cùng, chúng được hiển thị, ghi lại hoặc truyền đến máy tính để xử lý thông qua thiết bị đo.
Hệ thống điều khiển tự động lên men bao gồm ba phần: phần tử đo lường, phần điều khiển và phần chấp hành.
1. Phần tử đo lường
Có nhiều phương pháp phân loại cảm biến khác nhau. Có thể phân loại theo phương pháp đo thành cảm biến ngoại tuyến và cảm biến trực tuyến; theo nguyên lý đo thành các cảm biến kiểu phần tử nhạy lực, phần tử nhạy nhiệt, phần tử nhạy sáng, phần tử nhạy từ, phần tử điện hóa và cảm biến sinh học. Do tín hiệu điện dễ truyền dẫn, phần lớn cảm biến đều xuất tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, điện trở, điện cảm, điện dung và tần số.
2. Phần điều khiển
Chức năng chính của phần điều khiển là so sánh các tín hiệu thông số do phần tử đo lường phát hiện với giá trị đặt trước, đồng thời xuất lệnh tín hiệu đến cơ cấu chấp hành để điều chỉnh. Thông thường sử dụng điều khiển đóng/mở và điều khiển tương tự. Điều khiển đóng/mở chỉ hai trạng thái bật và tắt, được biểu thị bằng 0 và 1, tức là trạng thái mở hoặc tắt. Ví dụ, trong điều khiển quá trình lên men, điều khiển đóng/mở chỉ có thể điều khiển việc mở và đóng van. Điều khiển tương tự không chỉ có thể điều khiển việc mở và đóng van mà còn có thể điều khiển mức độ mở của van trong quá trình điều khiển lên men, từ đó phát huy vai trò điều tiết.
3. Phần chấp hành
Phần chấp hành là bộ phận trực tiếp thực hiện thao tác điều khiển, chẳng hạn như van điện từ, van điều khiển khí nén, van điều khiển điện, bộ giảm tốc, bơm nhu động, v.v. Nó phản ánh tín hiệu đầu ra do bộ điều khiển phát ra hoặc biến điều khiển thay đổi bởi sự can thiệp thủ công của người vận hành. Cơ cấu chấp hành có thể vận hành liên tục hoặc gián đoạn.
Khi điều khiển nhiệt độ lên men kết thúc, thường vẫn tồn tại hiện tượng trễ. Việc điều khiển kịp thời và hợp lý thường đòi hỏi kinh nghiệm và kỹ năng của kỹ sư.
2. Áp suất bồn
Có nhiều loại cảm biến áp suất, bao gồm loại biến dạng điện trở, loại áp điện trở, loại cảm ứng và loại điện dung. Trong đó, loại được dùng rộng rãi nhất là cảm biến áp suất áp điện trở, có độ chính xác cao hơn, đặc tính tuyến tính tốt hơn và giá thành trung bình. Bộ truyền áp suất chuyển áp suất của bồn lên men thành tín hiệu điện để đưa vào hệ thống điều khiển. Phương pháp điều khiển áp suất thường là điều chỉnh lưu lượng khí nạp hoặc lượng khí dịch chuyển để duy trì áp suất yêu cầu trong quá trình lên men.
3. Tốc độ khuấy
Tốc độ khuấy có thể được đo bằng tốc kế cảm ứng từ, tốc kế cảm ứng quang hoặc máy phát tốc.
4. Lưu lượng khí và lưu lượng phun chất lỏng
Phát hiện lưu lượng thường bao gồm lưu lượng kế phao kim loại, lưu lượng kế điện từ, lưu lượng kế xoáy, v.v.
Lưu lượng kế phao kim loại phải được lắp theo phương thẳng đứng và dòng chảy đi từ dưới lên trên. Khi vật liệu hoặc không khí đi qua, sẽ tạo ra chênh lệch áp suất ở hai bên phao, khiến phao nổi lên theo một lực đẩy hướng lên. Khi lưu lượng thay đổi, vị trí của rôto nổi cũng thay đổi, làm thay đổi điện dung hoặc điện trở, từ đó được chuyển thành tín hiệu điện. Sau khi khuếch đại, bộ điều khiển khởi động có thể thực hiện tự động hóa việc điều khiển lưu lượng.
Lưu lượng kế điện từ sử dụng nguyên lý chất lỏng dẫn điện cắt qua từ trường để tạo ra suất điện động cảm ứng nhằm phát hiện lưu lượng, và có thể dùng để đo lưu lượng của chất lỏng dẫn điện (như nước tuần hoàn, v.v.).
Lưu lượng kế xoáy, có nguyên lý cơ bản là dãy xoáy Kármán, sử dụng mối quan hệ giữa tần số tách xoáy và lưu lượng là tỷ lệ thuận để đo lưu lượng. Lưu lượng kế xoáy có thể dùng để đo lưu lượng của chất lỏng dẫn điện hoặc không dẫn điện, nên ứng dụng rất rộng. Nó có thể dùng để đo hơi nước, không khí và nước tinh khiết.
5. Thể tích, khối lượng và bọt
Việc đo thể tích thường áp dụng phương pháp chênh áp, tức là có thể tính thể tích phun chất lỏng và chiều cao chất lỏng bằng cách sử dụng chênh lệch áp suất giữa hai hoặc ba điểm ở phía trên và phía dưới của bồn lên men. Thông thường, một bộ truyền chênh áp được lắp trên bồn lên men để phát hiện thể tích trong bồn.
Ngoài ra, cảm biến cân cũng có thể dùng để đo khối lượng vật liệu trong bồn. Cảm biến cân thường được dùng trong công đoạn phối liệu lên men.
Việc phát hiện bọt thường sử dụng phương pháp đầu dò điện cực. Khi bọt dâng lên và chạm đến cảm biến, sẽ tạo ra tín hiệu điện, sau đó tín hiệu được phản hồi, phát cảnh báo và bổ sung chất khử bọt.
6. pH
Đo pH thường sử dụng điện cực pH tổ hợp. Loại điện cực này có kết cấu nhỏ gọn và có thể tiệt trùng bằng hơi nước. Nguyên lý làm việc của nó là khi ngâm trong dung dịch cùng với điện cực thủy tinh và điện cực so sánh, sẽ tạo ra một suất điện động nhất định. Bộ truyền pH được nối với phần điều khiển, và van tự động hoặc bơm nhu động được điều khiển bởi hệ thống mạch để điều chỉnh giá trị pH.
7. Oxy hòa tan
Hiện nay, do đặc tính riêng của ngành lên men, người ta dùng phương pháp biểu thị phần trăm bão hòa không khí để biểu thị oxy hòa tan. Trước khi cấy giống, các điều kiện nuôi cấy bình thường được mô phỏng (khuấy, nhiệt độ, áp suất bồn, sục khí), và tiến hành hiệu chuẩn toàn thang. Lúc này, oxy hòa tan được coi là 100%, và sẽ không được hiệu chỉnh lại sau khi điều chỉnh cho đến khi kết thúc lên men. Vì vậy, dữ liệu hiển thị trên điện cực oxy hòa tan trong quá trình lên men thực tế là phần trăm hàm lượng oxy hòa tan trong quá trình hiệu chuẩn.
Thông thường, trong quá trình lên men chìm sâu, nồng độ oxy hòa tan phụ thuộc vào tốc độ oxy đi vào môi trường nuôi cấy và tốc độ tế bào sinh học tiêu thụ oxy. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ oxy đi vào môi trường là tốc độ khuấy, lưu lượng khí và áp suất bồn. Tùy theo từng công nghệ lên men khác nhau, cách điều chỉnh oxy hòa tan cũng khác nhau. Có thể điều chỉnh tốc độ khuấy trước rồi mới điều chỉnh lưu lượng khí và áp suất bồn, hoặc chỉ điều chỉnh một trong số chúng.
Thông số lên men là các đặc tính sinh lý và sinh hóa của quá trình lên men và chủng vi sinh, đồng thời cũng là cơ sở chính để con người điều khiển quá trình lên men. Trong quá trình lên men, then chốt để đạt được điều khiển tự động là các cảm biến dùng để đo các thông số khác nhau. Sự thay đổi của các biến trong quá trình lên men được cảm biến phát hiện sẽ được bộ truyền tín hiệu chuyển đổi từ tín hiệu phi điện sang tín hiệu điện tiêu chuẩn. Cuối cùng, chúng được hiển thị, ghi lại hoặc truyền đến máy tính để xử lý thông qua thiết bị đo.
Hệ thống điều khiển tự động lên men bao gồm ba phần: phần tử đo lường, phần điều khiển và phần chấp hành.
1. Phần tử đo lường
Có nhiều phương pháp phân loại cảm biến khác nhau. Có thể phân loại theo phương pháp đo thành cảm biến ngoại tuyến và cảm biến trực tuyến; theo nguyên lý đo thành các cảm biến kiểu phần tử nhạy lực, phần tử nhạy nhiệt, phần tử nhạy sáng, phần tử nhạy từ, phần tử điện hóa và cảm biến sinh học. Do tín hiệu điện dễ truyền dẫn, phần lớn cảm biến đều xuất tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, điện trở, điện cảm, điện dung và tần số.
2. Phần điều khiển
Chức năng chính của phần điều khiển là so sánh các tín hiệu thông số do phần tử đo lường phát hiện với giá trị đặt trước, đồng thời xuất lệnh tín hiệu đến cơ cấu chấp hành để điều chỉnh. Thông thường sử dụng điều khiển đóng/mở và điều khiển tương tự. Điều khiển đóng/mở chỉ hai trạng thái bật và tắt, được biểu thị bằng 0 và 1, tức là trạng thái mở hoặc tắt. Ví dụ, trong điều khiển quá trình lên men, điều khiển đóng/mở chỉ có thể điều khiển việc mở và đóng van. Điều khiển tương tự không chỉ có thể điều khiển việc mở và đóng van mà còn có thể điều khiển mức độ mở của van trong quá trình điều khiển lên men, từ đó phát huy vai trò điều tiết.
3. Phần chấp hành
Phần chấp hành là bộ phận trực tiếp thực hiện thao tác điều khiển, chẳng hạn như van điện từ, van điều khiển khí nén, van điều khiển điện, bộ giảm tốc, bơm nhu động, v.v. Nó phản ánh tín hiệu đầu ra do bộ điều khiển phát ra hoặc biến điều khiển thay đổi bởi sự can thiệp thủ công của người vận hành. Cơ cấu chấp hành có thể vận hành liên tục hoặc gián đoạn.
Theo nguồn năng lượng, cơ cấu chấp hành có thể chia thành cơ cấu chấp hành khí nén, cơ cấu chấp hành điện và cơ cấu chấp hành thủy lực. Loại được dùng nhiều nhất trong lên men là van điều khiển màng khí nén, van bi khí nén, van góc khí nén và van điện từ, v.v.
Phát hiện và điều khiển các thông số thông thường trong quá trình lên men
1.Nhiệt độ
Trong quá trình lên men, thường dùng nhiệt kế điện trở để đo nhiệt độ lên men. Đo nhiệt độ bằng điện trở dựa trên đặc tính giá trị điện trở của dây dẫn kim loại hoặc chất bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ, và sự thay đổi của giá trị điện trở được chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện được truyền đến cơ cấu chấp hành thông qua thiết bị điều khiển và các công tắc hay mạch điều khiển khác nhau. Nhờ đó có thể bật (hoặc đóng) thiết bị làm lạnh (làm nóng) để giữ nhiệt độ bồn không đổi và đạt mục đích điều khiển nhiệt độ tự động.Khi điều khiển nhiệt độ lên men kết thúc, thường vẫn tồn tại hiện tượng trễ. Việc điều khiển kịp thời và hợp lý thường đòi hỏi kinh nghiệm và kỹ năng của kỹ sư.
2. Áp suất bồn
Có nhiều loại cảm biến áp suất, bao gồm loại biến dạng điện trở, loại áp điện trở, loại cảm ứng và loại điện dung. Trong đó, loại được dùng rộng rãi nhất là cảm biến áp suất áp điện trở, có độ chính xác cao hơn, đặc tính tuyến tính tốt hơn và giá thành trung bình. Bộ truyền áp suất chuyển áp suất của bồn lên men thành tín hiệu điện để đưa vào hệ thống điều khiển. Phương pháp điều khiển áp suất thường là điều chỉnh lưu lượng khí nạp hoặc lượng khí dịch chuyển để duy trì áp suất yêu cầu trong quá trình lên men.
3. Tốc độ khuấy
Tốc độ khuấy có thể được đo bằng tốc kế cảm ứng từ, tốc kế cảm ứng quang hoặc máy phát tốc.
4. Lưu lượng khí và lưu lượng phun chất lỏng
Phát hiện lưu lượng thường bao gồm lưu lượng kế phao kim loại, lưu lượng kế điện từ, lưu lượng kế xoáy, v.v.
Lưu lượng kế phao kim loại phải được lắp theo phương thẳng đứng và dòng chảy đi từ dưới lên trên. Khi vật liệu hoặc không khí đi qua, sẽ tạo ra chênh lệch áp suất ở hai bên phao, khiến phao nổi lên theo một lực đẩy hướng lên. Khi lưu lượng thay đổi, vị trí của rôto nổi cũng thay đổi, làm thay đổi điện dung hoặc điện trở, từ đó được chuyển thành tín hiệu điện. Sau khi khuếch đại, bộ điều khiển khởi động có thể thực hiện tự động hóa việc điều khiển lưu lượng.
Lưu lượng kế điện từ sử dụng nguyên lý chất lỏng dẫn điện cắt qua từ trường để tạo ra suất điện động cảm ứng nhằm phát hiện lưu lượng, và có thể dùng để đo lưu lượng của chất lỏng dẫn điện (như nước tuần hoàn, v.v.).
Lưu lượng kế xoáy, có nguyên lý cơ bản là dãy xoáy Kármán, sử dụng mối quan hệ giữa tần số tách xoáy và lưu lượng là tỷ lệ thuận để đo lưu lượng. Lưu lượng kế xoáy có thể dùng để đo lưu lượng của chất lỏng dẫn điện hoặc không dẫn điện, nên ứng dụng rất rộng. Nó có thể dùng để đo hơi nước, không khí và nước tinh khiết.
5. Thể tích, khối lượng và bọt
Việc đo thể tích thường áp dụng phương pháp chênh áp, tức là có thể tính thể tích phun chất lỏng và chiều cao chất lỏng bằng cách sử dụng chênh lệch áp suất giữa hai hoặc ba điểm ở phía trên và phía dưới của bồn lên men. Thông thường, một bộ truyền chênh áp được lắp trên bồn lên men để phát hiện thể tích trong bồn.
Ngoài ra, cảm biến cân cũng có thể dùng để đo khối lượng vật liệu trong bồn. Cảm biến cân thường được dùng trong công đoạn phối liệu lên men.
Việc phát hiện bọt thường sử dụng phương pháp đầu dò điện cực. Khi bọt dâng lên và chạm đến cảm biến, sẽ tạo ra tín hiệu điện, sau đó tín hiệu được phản hồi, phát cảnh báo và bổ sung chất khử bọt.
6. pH
Đo pH thường sử dụng điện cực pH tổ hợp. Loại điện cực này có kết cấu nhỏ gọn và có thể tiệt trùng bằng hơi nước. Nguyên lý làm việc của nó là khi ngâm trong dung dịch cùng với điện cực thủy tinh và điện cực so sánh, sẽ tạo ra một suất điện động nhất định. Bộ truyền pH được nối với phần điều khiển, và van tự động hoặc bơm nhu động được điều khiển bởi hệ thống mạch để điều chỉnh giá trị pH.
7. Oxy hòa tan
Hiện nay, do đặc tính riêng của ngành lên men, người ta dùng phương pháp biểu thị phần trăm bão hòa không khí để biểu thị oxy hòa tan. Trước khi cấy giống, các điều kiện nuôi cấy bình thường được mô phỏng (khuấy, nhiệt độ, áp suất bồn, sục khí), và tiến hành hiệu chuẩn toàn thang. Lúc này, oxy hòa tan được coi là 100%, và sẽ không được hiệu chỉnh lại sau khi điều chỉnh cho đến khi kết thúc lên men. Vì vậy, dữ liệu hiển thị trên điện cực oxy hòa tan trong quá trình lên men thực tế là phần trăm hàm lượng oxy hòa tan trong quá trình hiệu chuẩn.
Thông thường, trong quá trình lên men chìm sâu, nồng độ oxy hòa tan phụ thuộc vào tốc độ oxy đi vào môi trường nuôi cấy và tốc độ tế bào sinh học tiêu thụ oxy. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ oxy đi vào môi trường là tốc độ khuấy, lưu lượng khí và áp suất bồn. Tùy theo từng công nghệ lên men khác nhau, cách điều chỉnh oxy hòa tan cũng khác nhau. Có thể điều chỉnh tốc độ khuấy trước rồi mới điều chỉnh lưu lượng khí và áp suất bồn, hoặc chỉ điều chỉnh một trong số chúng.
Đặc điểm của hệ thống điều khiển tự động DCS lên men Shanghai Beyond
Hệ thống điều khiển phân tán DCS lên men Shanghai Beyond bao gồm bộ điều khiển trung tâm, được cấu thành từ bộ điều khiển lập trình PLC bao gồm bo mạch tích hợp PLC và máy tính vận hành (hoặc giao diện người-máy). Hệ thống có đặc điểm quản lý tập trung và điều khiển phân tán. Việc tính toán điều khiển và thu thập dữ liệu lên men đều do bộ điều khiển PLC hoàn thành, còn toàn bộ quá trình lên men được giám sát theo thời gian thực thông qua máy tính vận hành (hoặc giao diện người-máy) để tổ chức dữ liệu đã ghi. Hệ thống điều khiển PLC có hiệu suất giá thành cao và độ ổn định tốt, đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho lõi điều khiển tự động của các hệ thống điều khiển quy mô nhỏ và vừa.
Hệ thống điều khiển phân tán DCS lên men Shanghai Beyond bao gồm bộ điều khiển trung tâm, được cấu thành từ bộ điều khiển lập trình PLC bao gồm bo mạch tích hợp PLC và máy tính vận hành (hoặc giao diện người-máy). Hệ thống có đặc điểm quản lý tập trung và điều khiển phân tán. Việc tính toán điều khiển và thu thập dữ liệu lên men đều do bộ điều khiển PLC hoàn thành, còn toàn bộ quá trình lên men được giám sát theo thời gian thực thông qua máy tính vận hành (hoặc giao diện người-máy) để tổ chức dữ liệu đã ghi. Hệ thống điều khiển PLC có hiệu suất giá thành cao và độ ổn định tốt, đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho lõi điều khiển tự động của các hệ thống điều khiển quy mô nhỏ và vừa.
Toàn bộ hệ thống bao gồm máy tính chủ/màn hình cảm ứng tại hiện trường, giao diện người-máy, PLC, bộ điều khiển đo lường tại hiện trường, đồng hồ hiển thị tại hiện trường, v.v., và giao tiếp với Ethernet thông qua bus trường.
Hệ thống PLC chủ yếu hoàn thành việc thu thập và điều khiển các tín hiệu đo lường trong hệ thống, đồng thời truyền dữ liệu đến máy tính chủ qua đường truyền dữ liệu. Phần mềm cấu hình trên máy tính chủ đảm nhiệm các chức năng hiển thị dữ liệu thời gian thực của hệ thống, ghi chép, cài đặt tham số và xử lý dữ liệu lịch sử.
Máy tính chủ có thể được kết nối qua Internet. Khi được cấp quyền, bất kỳ người vận hành nào có kết nối mạng đều có thể thao tác hệ thống.
Hệ thống PLC chủ yếu hoàn thành việc thu thập và điều khiển các tín hiệu đo lường trong hệ thống, đồng thời truyền dữ liệu đến máy tính chủ qua đường truyền dữ liệu. Phần mềm cấu hình trên máy tính chủ đảm nhiệm các chức năng hiển thị dữ liệu thời gian thực của hệ thống, ghi chép, cài đặt tham số và xử lý dữ liệu lịch sử.
Máy tính chủ có thể được kết nối qua Internet. Khi được cấp quyền, bất kỳ người vận hành nào có kết nối mạng đều có thể thao tác hệ thống.
Trên đây là toàn bộ nội dung hôm nay về ứng dụng công nghệ tự động điều khiển trong lên men sinh học. Nếu có bất kỳ câu hỏi hoặc yêu cầu nào, vui lòng liên hệ kỹ sư dịch vụ Beyond.
