РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ИЗВЛЕЧЕНИЯ САХАРОВ ИЗ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КИСЛОТНОГО И ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА

Представлена разработка и экспериментальная верификация автоматизированной системы управления двухстадийным гидролизом пшеничной соломы, реализованной на основе интеграции динамической кинетической модели в контур модельно-предиктивного управления. Объект управления характеризуется нелинейной динамикой, наличием технологических ограничений и чувствительностью к вариациям состава сырья, включая содержание целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, что обосновывает применение предиктивных методов управления. В структуре АСУ реализована иерархическая архитектура: локальные PID-регуляторы обеспечивают стабилизацию температурного и pH-режимов, тогда как модельно-предиктивное управление осуществляет оптимизацию управляющих воздействий по критерию максимизации выхода сахаров с учетом ограничений по температуре, давлению и времени обработки. Математическая модель включает кинетику кислотного гидролиза (гемицеллюлоза– ксилоза-фурфурол) и ферментативной стадии на основе модифицированного уравнения Михаэлиса-Ментен с учетом ингибирования и инактивации ферментов. Управление реализовано на дискретной модели состояния с шагом 1 мин и учетом переходных процессов. Система реализована на базе программируемого логического контроллера с интеграцией SCADA для сбора и визуализации данных. Экспериментальная апробация показала повышение выхода сахаров до 76-85 %, снижение коэффициента вариации до 4 %, уменьшение концентрации ингибиторов, сокращение времени стабилизации и энергозатрат, а также устойчивость к возмущениям и изменениям состава сырья.

1. Lignocellulosic biomass to bioethanol: a comprehensive review with a focus on pretreatment / S.H. Mood et al // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2013. – Vol. 27. – P. 77-93.

2. The role of pretreatment in improving the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials / S. Sun et al // Bioresource Technology. – 2016. – Vol. 199. – P. 49-58.

3. Acid hydrolysis of wheat straw: A kinetic study / E. Guerra-Rodríguez et al // Biomass and Bioenergy. – 2012. – Vol. 36. – P. 346-355.

4. A review on delignification of lignocellulosic biomass for enhancement of ethanol production potential / R. Singh et al // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2014. – Vol. 32. – P. 713- 728.

5. Enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass / H. Ostby et al // Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology. – 2020. – Vol. 47. P. 623-657.

6. Areeya S. Model predictive control of enzymatic hydrolysis reactor / S. Areeya, M. Sriariyanun // Springer. Lecture Notes in Networks and Systems. – 2021. – Vol. 251, E3. – P. 257-266.

7. Development of novel bioreactor control systems based on smart sensors and actuators / B. Wang et al // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. – 2020. – Vol. 8. – Article 7.

8. Евстафьев С.Н. Активация полисахаридов соломы пшеницы для ферментативного гидролиза методом высокотемпературного этанолиза / С.Н. Евстафьев, Е.С. Фомина // Биотехнология. – 2024. – Vol. 40, № 2. – С. 62-67.

9. Чемерис О.В. Ферментативный гидролиз соломы пшеницы и ячменя препаратом целлюлаз гриба Irpex lacteus / О.В. Чемерис // Проблемы экологии и охраны природы техногенного региона. – 2025. – № 1. – С. 70-74.

10. Кедельбаев Б.Ш. Получение полисахаридов из пшеничной соломы / Б.Ш. Кедельбаев // Архивариус. – 2016. – № 5(9). – С. 623-657.