Penerapan Teknologi Kontrol Otomatis dalam Biofermentasi

2020-07-01

Karakteristik parameter reaksi fermentasi biologis sangat beragam. Perubahannya tidak hanya terjadi seiring waktu, tetapi juga mengikuti metabolisme flora. Pada saat yang sama, hukumnya juga berubah-ubah, sehingga merupakan sistem nonlinier. Pada awalnya, analisis laboratorium dilakukan melalui pengambilan sampel manual untuk memperoleh informasi tentang variabel parameter sistem fermentasi, sehingga seluruh proses fermentasi dapat dikendalikan. Meskipun metode operasi dengan tingkat otomatisasi rendah ini menghemat investasi peralatan awal, namun dalam penggunaannya juga menghadapi beberapa masalah: meningkatnya biaya tenaga kerja, konsumsi energi bahan baku yang besar, rendahnya pemanfaatan peralatan, keterlambatan umpan balik informasi parameter, kesalahan atau kekeliruan operasi персонil, serta hasil produk yang tidak stabil.
Menghadapi persaingan pasar yang semakin ketat, semakin banyak perusahaan mencari cara untuk meningkatkan proses produksi, seperti penerapan sistem kontrol otomatis dalam proses fermentasi, penggunaan teknologi pengujian, teknologi sensor, dan teknologi kontrol prediksi fuzzy untuk kendali digital suhu, tekanan tangki, pH, oksigen terlarut, volume udara, umpan, busa, kecepatan pengadukan, serta tampilan motor pada operasi yang salah. Hal ini tidak hanya menghemat banyak tenaga kerja, tetapi juga meningkatkan efisiensi produksi dan kualitas produk.

Pengenalan Sistem Kontrol Otomatis Fermentasi
Parameter fermentasi adalah karakteristik fisiologis dan biokimia dari proses fermentasi serta strain-nya, dan juga merupakan dasar utama bagi manusia untuk mengendalikan proses fermentasi. Dalam proses fermentasi, kunci untuk mencapai kontrol otomatis adalah sensor yang mengukur berbagai parameter. Perubahan variabel proses fermentasi yang dideteksi oleh sensor diubah dari sinyal nonlistrik menjadi sinyal listrik standar oleh transmitter. Selanjutnya, sinyal tersebut ditampilkan, direkam, atau dikirim ke komputer untuk diproses oleh instrumen.
Sistem kontrol otomatis fermentasi terdiri dari tiga bagian: elemen deteksi, bagian kontrol, dan elemen aksi.
1. Elemen Deteksi
Sensor memiliki berbagai metode klasifikasi. Berdasarkan metode pengukuran, sensor dapat diklasifikasikan menjadi sensor offline dan sensor online; berdasarkan prinsip pengukuran, sensor dapat dibuat menggunakan elemen pendeteksi gaya, elemen pendeteksi panas, elemen pendeteksi cahaya, elemen pendeteksi magnet, elemen elektrokimia, dan biosensor. Karena sinyal listrik mudah ditransmisikan, sebagian besar sensor menghasilkan sinyal listrik, seperti tegangan, arus, resistansi, induktansi, kapasitansi, dan frekuensi.
2. Bagian Kontrol
Fungsi utama bagian kontrol adalah membandingkan berbagai sinyal parameter yang dideteksi oleh elemen deteksi dengan nilai yang telah ditentukan, sekaligus mengeluarkan perintah sinyal ke aktuator untuk kontrol penyesuaian. Kontrol sakelar dan kontrol analog umumnya digunakan. Kontrol sakelar mengacu pada dua keadaan, yaitu on dan off, yang dinyatakan dengan 0 dan 1, yakni keadaan menyala atau mati. Misalnya, dalam kontrol proses fermentasi, kontrol sakelar hanya dapat mengontrol buka-tutup katup. Kontrol analog mengacu pada kontrol yang tidak hanya dapat mengatur buka-tutup katup, tetapi juga dapat mengontrol derajat bukaan katup dalam kontrol proses fermentasi, sehingga berperan sebagai pengatur.
3. Elemen Aksi
Elemen aksi adalah elemen yang secara langsung menjalankan tindakan kontrol, seperti katup elektromagnetik, katup kontrol pneumatik, katup kontrol elektrik, reduktor, pompa peristaltik, dan sebagainya. Elemen ini mencerminkan sinyal keluaran dari pengendali atau variabel kontrol yang diubah melalui intervensi manual operator. Aktuator dapat bekerja secara terus-menerus atau terputus-putus.

Aktuator dapat dibagi menjadi aktuator pneumatik, aktuator elektrik, dan aktuator hidrolik menurut sumber dayanya. Yang paling banyak digunakan dalam fermentasi adalah katup kontrol diafragma pneumatik, katup bola pneumatik, katup sudut pneumatik, katup elektromagnetik, dan sebagainya.

Deteksi dan Kontrol Parameter Konvensional dalam Proses Fermentasi

1.Suhu

Dalam proses fermentasi, termometer resistansi biasanya digunakan untuk mendeteksi suhu fermentasi. Pengukuran suhu resistansi didasarkan pada sifat nilai resistansi pada konduktor logam atau semikonduktor yang berubah seiring suhu, dan perubahan nilai resistansi tersebut diubah menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik tersebut diteruskan ke aktuator melalui instrumen kontrol serta berbagai sakelar atau rangkaian kontrol. Dengan demikian, perangkat pendingin (pemanas) dapat dinyalakan (ditutup) untuk menjaga suhu tangki tetap konstan dan mencapai tujuan kontrol suhu otomatis.
Saat kontrol suhu fermentasi selesai, biasanya masih ada fenomena histeresis. Pengendalian yang tepat waktu dan wajar sering kali memerlukan pengalaman dan keterampilan para insinyur.
2. Tekanan Tangki
Ada banyak jenis sensor tekanan, termasuk tipe strain gauge resistansi, tipe piezoresistif, tipe induktansi, dan tipe kapasitif. Di antaranya, yang paling banyak digunakan adalah sensor tekanan tipe piezoresistif, yang memiliki akurasi lebih tinggi dan karakteristik linear yang lebih baik, serta harganya relatif sedang. Transmitter tekanan mengubah tekanan tangki fermentasi menjadi sinyal listrik untuk diakses ke sistem kontrol. Metode kontrol tekanan umumnya adalah menyesuaikan laju aliran masuk atau perpindahan udara untuk mempertahankan tekanan yang diperlukan selama proses fermentasi.
3. Kecepatan Pengadukan
Kecepatan pengadukan dapat diukur dengan velocimeter induksi magnetik, velocimeter induksi cahaya, atau generator tachometer.
4. Laju Aliran Udara dan Laju Penyemprotan Cairan
Deteksi laju aliran umumnya mencakup penggunaan flowmeter pelampung logam, flowmeter elektromagnetik, flowmeter vortex, dan sebagainya.
Flowmeter pelampung logam harus dipasang secara vertikal dan alirannya dari bawah ke atas. Saat material atau udara melewati alat, perbedaan tekanan terbentuk di kedua sisi pelampung, yang menyebabkan pelampung melayang dengan dorongan ke atas. Seiring perubahan laju aliran, posisi rotor mengambang juga berubah, sehingga menyebabkan perubahan kapasitansi atau resistansi, yang kemudian diubah menjadi sinyal listrik. Setelah penguatan, pengendali awal dapat mewujudkan otomatisasi kontrol laju aliran.
Flowmeter elektromagnetik menggunakan prinsip bahwa cairan yang mengalir memotong medan magnet untuk menghasilkan gaya gerak listrik induksi guna mendeteksi laju aliran, dan dapat digunakan untuk mendeteksi laju aliran fluida konduktif (seperti air sirkulasi, dan sebagainya).
Flowmeter vortex, yang prinsip dasarnya adalah deretan pusaran Kármán, menggunakan hubungan bahwa frekuensi pemisahan pusaran berbanding lurus dengan laju aliran untuk mendeteksi laju aliran. Flowmeter vortex dapat digunakan untuk mendeteksi laju aliran fluida konduktif maupun nonkonduktif, sehingga penerapannya sangat luas. Alat ini dapat digunakan untuk mendeteksi uap, udara, dan air murni.
5. Volume, Berat, dan Busa
Deteksi volume umumnya menggunakan metode tekanan diferensial, yaitu volume penyemprotan cairan dan tinggi cairan dapat dihitung dengan menggunakan perbedaan tekanan antara dua atau tiga titik di bagian atas dan bawah tangki fermentasi. Sebuah transmitter tekanan diferensial biasanya dipasang pada tangki fermentasi untuk mendeteksi volume di dalam tangki.
Selain itu, sensor penimbangan juga dapat digunakan untuk mendeteksi berat material di dalam tangki. Sensor penimbangan sering digunakan pada bagian penakaran fermentasi.
Deteksi busa umumnya menggunakan metode probe elektroda. Saat busa naik dan mencapai sensor, sinyal listrik akan dihasilkan, kemudian sinyal tersebut dikirim balik, alarm berbunyi, dan agen antifoam ditambahkan.
6. pH
Pengujian pH umumnya menggunakan elektroda pH komposit. Jenis elektroda ini memiliki struktur yang kompak dan dapat disterilkan dengan uap. Prinsip kerjanya adalah menghasilkan gaya gerak listrik tertentu saat dicelupkan ke dalam larutan dengan elektroda kaca dan elektroda referensi. Transmitter pH dihubungkan ke bagian kontrol, dan katup otomatis atau pompa peristaltik dikendalikan oleh sistem loop untuk menyesuaikan nilai pH.
7. Oksigen Terlarut
Saat ini, karena karakteristiknya sendiri, industri fermentasi menggunakan metode ekspresi persentase kejenuhan udara untuk mewakili oksigen terlarut. Sebelum inokulasi, kondisi kultur normal disimulasikan (pengadukan, suhu, tekanan tangki, aerasi), dan kalibrasi penuh dilakukan. Pada saat ini, oksigen terlarut dianggap 100%, dan tidak akan dikoreksi setelah penyesuaian hingga akhir fermentasi. Oleh karena itu, data pembacaan yang ditampilkan oleh elektroda oksigen terlarut selama proses fermentasi sebenarnya adalah persentase kadar oksigen terlarut pada saat kalibrasi.
Secara umum, dalam proses fermentasi terendam dalam, konsentrasi oksigen terlarut bergantung pada kecepatan masuknya oksigen ke dalam medium kultur dan kecepatan konsumsi oksigen oleh sel biologis. Faktor utama yang memengaruhi kecepatan masuknya oksigen ke medium adalah kecepatan pengadukan, laju aliran udara, dan tekanan tangki. Bergantung pada teknologi fermentasi yang berbeda, cara menyesuaikan oksigen terlarut juga berbeda. Kecepatan pengadukan dapat disesuaikan terlebih dahulu sebelum menyesuaikan aliran udara dan tekanan tangki, atau salah satunya saja yang disesuaikan.

Karakteristik Sistem Kontrol Otomatis DCS Fermentasi Shanghai Beyond
Sistem kontrol terdistribusi DCS fermentasi Shanghai Beyond mencakup mesin kontrol yang terdiri dari pengendali PLC, termasuk papan sirkuit terpadu PLC dan komputer operasi (atau antarmuka manusia-mesin). Sistem ini memiliki karakteristik manajemen terpusat dan kontrol terdesentralisasi. Perhitungan kontrol dan pengumpulan data fermentasi semuanya diselesaikan oleh pengendali PLC, dan seluruh proses fermentasi dipantau secara real-time melalui komputer operasi (atau antarmuka manusia-mesin) untuk mengatur data yang terekam. Sistem kontrol PLC memiliki rasio harga-kinerja yang tinggi dan stabilitas yang baik, sehingga menjadi pilihan utama sebagai inti kontrol otomatis untuk sistem kontrol skala kecil dan menengah.

Seluruh sistem terdiri dari komputer utama/touch screen lapangan, antarmuka manusia-mesin, PLC, pengendali deteksi lapangan, meter tampilan lapangan, dan sebagainya, serta berkomunikasi dengan Ethernet melalui fieldbus.
Sistem PLC terutama menyelesaikan pengumpulan dan pengendalian setiap variabel deteksi dalam sistem, lalu mengirimkan data ke komputer host melalui jalur data. Perangkat lunak konfigurasi komputer host menyelesaikan fungsi tampilan data real-time, pencatatan, pengaturan parameter, dan pemrosesan data historis sistem.
Komputer host dapat dihubungkan melalui Internet. Dengan otorisasi, operator mana pun yang memiliki koneksi jaringan dapat mengoperasikan sistem.

Demikian seluruh pembahasan hari ini tentang penerapan Teknologi Kontrol Otomatis dalam Biofermentasi. Jika ada pertanyaan atau permintaan, silakan hubungi teknisi layanan Beyond.

Hubungi Kami!