The dumping of oscillatory phenomena in the process of bioethanol production by continuous fermentation

Adrian Ciesielski,

Robert Grzywacz

Abstrakt

This article presents the results of numerical research on the dumping of oscillatory phenomena occurring in the continuous bioethanol production process. Proportional and proportional-integral types of controllers were tested for this purpose. Numerical analysis showed that the appropriate selection of the Kc value makes it possible to suppress the oscillations in the system. The introduction of the integral term  improves the performance of control system. Using numerical calculations, it was shown that the PI controller is effective at dumping the occurring oscillations. The presence of the integral term allows the reduction of the gain coefficient value. After the proper selection of parameters, the PI controller effectively supresses the oscillations present in the system.

Streszczenie

Tłumienie zjawisk oscylacyjnych w procesie produkcji bioetanolu metodą fermentacji ciągłej

W niniejszym artykule zaprezentowano wyniki badań numerycznych, dotyczących tłumienia zjawisk oscylacyjnych występujących w procesie produkcji bioetanolu metodą ciągłą. Przebadano w tym celu regulator typu proporcjonalnego oraz proporcjonalno-całkującego. Analiza numeryczna wykazała, iż odpowiedni dobór wartości współczynnika wzmocnienia Kc umożliwia tłumienie zjawisk oscylacyjnych w układzie. Wykazano także, iż wprowadzenie członu całkującego poprawia jego działanie. Za pomocą obliczeń symulacyjnych wykazano, że regulator proporcjonalno-całkujący dobrze radzi sobie z tłumieniem występujących oscylacji. Obecność członu całkującego pozwala na zredukowanie wartości współczynnika wzmocnienia. Po odpowiednim doborze parametrów, regulator PI skutecznie tłumi obecne w układzie oscylacje. 

Słowa kluczowe: produkcja bioetanolu, Saccharomyces cerevisiae, zachowania oscylacyjne, sterowanie procesem, regulator PI , bioethanol production, oscillatory behaviour, process control, PI controller
References

[1] Nielsen, J., Villadsen, J., Liden, G., Bioreaction Engineering Principles, New York 2003.

[2] Renewable Fuels Association, Ethanol strong, 2018 ethanol industry outlook,

[3] https://www.ethanolresponse.com/wp-content/uploads/2018/02/2018-RFAEthanol-Industry-Outlook.pdf (access: 13.01.2019).

[4] Strassle, C., Sonnleitner, B., Fiechter, A., A predictive model for the spontaneous synchronization of Saccharomyces cerevisiae grown in continuous culture. I. Concept, J. Biotechnol., 7, 1988, 299–318.

[5] Strassle, C., Sonnleitner, B., Fiechter, A., A predictive model for the spontaneous synchronization of Saccharomyces cerevisiae grown in continuous culture. II. Experimental verification, J. Biotechnol., 9, 1989, 191–208.

[6] Chen, C.-I., McDonald, K. A., Bisson, L., Oscillatory behaviour of Saccharomyces cerevisiae in continuous culture: Effects of pH and nitrogen levels, Biotechnol. Bioeng., 36, 1990, 19–27.

[7] Chen, C.-I., McDonald, K. A., Oscillatory behavior of Saccharomyces cerevisiae in continuous culture: II. Analysis of cell synchronization and metabolism, Biotechnol. Bioeng., 36, 1990, 28–38.

[8] Martegani, E., Porro, D., Ranzi, B. M., Alberghina, L., Involvement of a cell size control mechanism in the induction and maintenance of oscillations in continuous cultures of budding yeast, Biotechnol. Bioeng., 36, 1990, 453–459.

[9] Keulers, M., Satroutdinov, A. D., Suzuki, T., & Kuriyama, H., Synchronization affector of autonomous short-period-sustained oscillation of Saccharomyces cerevisiae, Yeast, 12, 1996, 673–682.

[10] Keulers, M., Suzuki, T., Satroutdinov, A. D., & Kuriyama, H., Autonomous metabolic oscillations in continuous culture of Saccharomycesm cerevisiae grown on ethanol, FEMS Microbiol. Lett., 142, 1996, 253–258.

[11] Astudillo I. C. P., Alzate C. A. C., Importance of stability study of continuous systems for ethanol production, J. Biotechnol., 151, 2011, 43–55.

[12] Jones K.D., Kompala D.S., Cybernetic model of the growth dynamics of Saccharomyces cerevisiae in batch and continuous cultures, J. Biotechnol., 71, 1999, 105–131.

[13] Zhang Y., Henson M.A., Bifurcation analysis of continuous biochemical reactor models, Biotechnol. Prog., 17, 2001, 647–660.

[14] Gawdzik A., Tabis B., Figiel W., Zasady sterowania procesami technologii i inżynierii chemicznej. Skrypt dla studentów wyższych szkół technicznych, Wydawnictwo PK, Kraków 1991.

[15] Ermentrout B., Simulating, analyzing, and animating dynamical systems, software, environments, and tools. A guide to XPPAUT for researchers and students, Philadelphia, 2002.

[16] Doedel E. J., Pafenroth R. C., Champneys A. R., Fairgrieve T. F., Kuznetsov Y. A., Oldman B. E., Sandstede B., Wang X., AUTO 2000: Continuation and bifurcation softwarefor ordinary differential  equations (with Hom Cont), Montreal 2002.

[17] Kincaid D., Cheney W., Numerical Analysis: Mathematics of Scientific Computing, American Mathematical Society 2002.