Nieliniowe sterowanie predykcyjne procesem produkcji bioetanolu metodą fermentacji ciągłej
Wariant tytułu
Nonlinear model predictive control of the bioethanol production process by continuous fermentation
Autor
Ciesielski, Adrian
Promotor
dr hab. inż. Robert Grzywacz, prof. PK
Data wydania
2021
Data obrony
11.10.2021
Wydawca
[s.n.]
Język
polski
Słowa kluczowe
produkcja bioetanolu, modelowanie cybernetyczne metabolizmu komórkowego, nieliniowa analiza stanów stacjonarnych, nieliniowe sterowanie predykcyjne, mapy procesowe z organiczeniami sterowania
bioethanol production, cybernetic modelling of cellular metabolism, nonlinear steady State analysis, nonlinear model predictive control, process maps with control constraints
Abstrakt
Przedmiotem niniejszej pracy jest nieliniowe sterowanie predykcyjne procesem produkcji bioetanolu metodą fermentacji ciągłej. Proces realizowany jest z udziałem drożdży Saccharomyces cerevisiae. Wzrost mikroorganizmów odbywa się na podłożu glukozowym w warunkach aerobowych i jest opisany strukturalnym-niesegregowanym cybernetycznym modelem kinetycznym. Rozpatrywany proces prowadzony jest w dwóch typach modelowych bioreaktorów: zbiornikowym bioreaktorze przepływowy z idealnym wymieszaniem oraz zbiornikowym bioreaktorze przepływowym z częściową recyrkulacją masy i zagęszczeniem biomasy. Dla obu konfiguracji procesowych sformułowano modele matematyczne oraz przeprowadzono ich analizę nieliniową, wykorzystując własną metodę jakościowej interpretacji struktury gałęzi stanów stacjonarnych. Na podstawie uzyskanych danych numerycznych skonstruowano mapy procesowe, zawierające między innymi informacje ilościowe o generowanych w bioreaktorze stężeniach produktu oraz informacje jakościowe na temat zachodzących zmian w systemie metabolicznym komórek biomasy. Zostały one następnie wykorzystane podczas syntezy jednowymiarowego i dwuwymiarowego nieliniowego regulatora predykcyjnego. Przeprowadzone badania numeryczne nad opracowanymi układami sterowania pokazały, że algorytm sterowania predykcyjnego dobrze sprawdza się w przypadku regulacji nieliniowego procesu produkcji bioetanolu.
The subject of this work is nonlinear model predictive control of the bioethanol production process by continuous fermentation. The process is carried out with the participation of Saccharomyces cerevisiae yeast. The growth of microorganisms takes place on a glucose medium under aerobic conditions and is described by a structured and nonsegregated cybernetic kinetic model. The considered process is carried out in two types of model bioreactors: a stirred tank bioreactor with perfect mixing and a stirred tank bioreactor with partial mass recirculation and biomass thickening. For both process configurations, mathematical models were formulated and their nonlinear analysis was carried out, using our own method of qualitative interpretation of the structure of the steady State branches. Based on the obtained numerical data, process maps were constructed. They contain quantitative information on the generated product concentrations in the bioreactor and qualitative information on changes in the metabolic system of biomass cel Is. These were then used in the synthesis of one-dimensional and two-dimensional nonlinear model predictive controller. The conducted numerical investigations on the developed control Systems showed that the model predictive control algorithm works well in the case of regulation of the nonlinear process of bioethanol production.
