Ekmek mayası fermentasyonunda model tabanlı kontrol

Abstract

Ekmek mayası, Saccharomyces cerevisiae, fermentasyonu birçok beslemesi olan son derece karmaşık bir prosestir. Maya hücresi bu beslemelerden kendisi için gerekli olan hem büyüme hem de yaşamını idame ettirecek enerjiyi sağlar. Fakat kendisi için gerekli olan asıl enerji glikozu ekzotermik bir reaksiyon ile parçalayarak sağlar. Bu ekzotermik reaksiyon fermentasyonun yapıldığı reaktörlerde bir enerji açığa çıkmasına, bu enerji de reaktörlerde sıcaklık yükselmesine neden olur. Sıcaklığın yükselmesini engelemek ve belli bir referans noktasında tutmak için bu fazla enerji sistemden uzaklaştırılmalıdır. Bu enerjinin uzaklaştırılması reaktör ceketinden geçirilen soğutma suyu ile yapılmaktadır. Kuyulardan sağlanan bu yeraltı suyu iklim ve mevsim şartlarına göre değişiklik göstermekte özellikle yaz aylarında azalmaktadır. Soğutma suyundaki bu azalma üretim kapasitesinin düşmesine neden olmaktadır. Ekmek mayası üretim fermentasyonunda reaktörlerdeki sıcaklık kontrolünü daha iyi bir şekilde yapabilmek, şu anda kullanılan geleneksel PID kontrolün eksiklerini ortadan kaldırmak ve mayanın tüm fermentasyon aşamaları ve fermentasyon türlerinde göstermiş olduğu davranışı daha iyi anlayabilmek için mayanın matematiksel bir model ile tanımlanması ve bu model yardımı ile Model Tabanlı Kontrol yönteminin sisteme uygulanması Pak Biyoteknoloji Merkezi Pilot Tesisinde yapılmış ve sonuçları geleneksel PID kontrol ile karşılaştırılarak incelenmiştir. Ayrıca bu yeni kurulan sistemin fermentasyon sıcaklığını ve gerekli olacak soğutma suyu miktarını ileriye doğru öngörerek soğutma suyunun yetersiz kalacağı ve fermentasyon sıcaklığının artacağı durumlarda operatörleri uyarması ve/veya sistemin besleme profil katsayılarına müdahale ederek sistemi kontrol altmda tutması amaçlanmıştır. Bu model ayrıca reaktör tasarımı ve ölçek büyültme işlemleri içinde kullanılabilir.

Fermentation of baker's yeast, Saccharomyces cerevisiae, is a complicated process. Throughout the processing of the yeast, there are numerous inputs to the system and these inputs provide the necessary energy to the yeast, not only to grow but also to survive. Yeast derives the main energy of its survival by an exothermic reaction where glucose is used as an input. On the other hand, this exothermic reaction causes an energy release in the reactors and thus a temperature rise. In order to control the temperature rise and keep it stabile around a reference value, this excess energy should be driven away from the system. The way to handle this excess energy is, to stream a cooling-water thru the reactor walls. Unfortunately, the amount of cooling-water that can be reserved for this purpose is dependent on the climate and the seasonal conditions and decreases significantly in summers. This decrease in the amount of cooling-water directly causes a decrease in the productivity of the yeast process. To better understand the behavior of the yeast under all fermentation types and steps, and to control better the temperature rise in the reactors, and to overcome problems of the conventional PID controlling mechanism, a mathematical modeling of the yeast has been done at the "Pak Biotechnology Center Sample Unit". This mathematical model has been also used to develop the "Model Based Control" (MBC) method. MBC has been applied to the system and the results obtained have been compared with the results of the Conventional PID Control. While developing MBC, what was also aimed is to predict the cases where the amount of cooling- water will be insufficient, based under the current values of the fermentation temperature and water reserves, and to either warn the system operators of the potential problem or to directly decrease the input rate of the system so to overcome system failures. What we also believe that this model can be used effectively for reactor designs and for scalability issues.