Régulation du dioxygène dissous

Exemples de cascades de régulation dans le cas de micro organismes peu sensibles au cisaillement

Le contrôleur de la servorégulation peut commander 3 actionneurs :
- vitesse de rotation de la turbine (rpm). Dans le cas de turbines à effet de cisaillement important (par exemple de type Rushton), l'augmentation de vitesse de rotation permet des bulles très petites, donc une surface d'échange élevée donc un OTR amélioré. Mais ceci est réservé aux cultures de micro organismes peu sensibles aux effets de cisaillement. Et gare au moussage à vitesse élevée ...

- contrôleur de débit d'aération (D, massique ou volumique) (D volumique est souvent donné en vvm, volume d'air par volume de milieu et par minute);

- électrovanne de mélange air ambiant (21 % de dioxygène) et oxygène pur (E). (par exemple, la pression totale du gaz d'aération est maintenue constante pour assurer 0,3 bar de surpression en tête de bioréacteur. Pour augmenter la pression partielle en dioxygène dans le gaz entrant - et donc C* - on joue sur la proportion de dioxygène).

 

Il est assez rare de cascader les 3 actionneurs, les cascades de servo régulation sont souvent hiérarchisées avec 2 actionneurs. Bien organisées, elles permettent les cultures aérobies dites à très haute densité.

Voici un exemple avec cascade hiérarchique 1-rpm / 2-enrichissement de l'air entrant en dioxygène.

  1. Au départ avant inoculation. D est réglé sur l'air ambiant et ne sera plus modifié (par exemple 1 vvm), rpm est à la valeur minimale choisie (par exemple 100) , V est en position assurant la seule alimentation en air ambiant (dioxygène à 21%). La valeur de C, concentration en dioxygène dissous atteint le C* 100% (on n'a pas inoculé !).
  2. Une consigne pour C est enregistrée (par exemple 15% ).
  3. La hiérarchie (cascade) des actionneurs est établie :
    • (i) rpm. Ce sera le premier actionneur mis en action, jusqu'à la vitesse maximale fixée (par exemple 600 rpm) ;
    • (ii) E. L'électrovanne à pulses commandant l'enrichissement en dioxygène pur sera le deuxièmer actionneur possible (depuis 0% d'enrichissement jusqu'à un max fixé).

D'où le schéma :
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Au départ C est à 100%, rpm et E sont à min. Puis avec la croissance des micro organismes OUR augmente énormément et donc C va diminuer. Quand C passe sous la valeur de consigne, le contrôleur augmente rpm jusqu'à ramener C à la valeur de consigne. Si OUR est tel que rpm atteint son max et que C passe en dessous de la consigne, le contrôleur cascade sur E et enrichit en dioxygène. Si, dans le process, OUR vient à diminuer entrainant une hausse de C au dessus de la consigne, la hiérarchie du contrôleur est de diminuer d'abord l'enrichissement en dioxygène E puis rpm.

Voici un exemple avec cascade hiérarchique 1-rpm / 2-contrôleur (massique) de débit.

  1. Au départ avant inoculation. rpm est à la valeur minimale choisie (par exemple 100). D est est à la valeur minimale choisie (par exemple 1 vvm). Aucun enrichissement en dioxygène de l'air entrant est prévu.
  2. Une consigne pour C est enregistrée (par exemple 15% ).
  3. La hiérarchie des actionneurs est établie :
    • (i) rpm. Ce sera le premier actionneur mis en action, jusqu'à la vitesse maximale fixée (par exemple 600 rpm) ;
    • (ii) D sera, hiérarchiquement, le deuxième actionneur. Avec une valeur maximale, 3 vvm par exemple.

 

D'où le schéma :
regulation-o2-cascade_f2 (9K)

Au départ C est à 100%, rpm et D sont à min. Puis avec la croissance des micro organismes OUR augmente énormément et donc C va diminuer. Quand C passe sous la valeur de consigne, le contrôleur augmente rpm jusqu'à ramener C à la valeur de consigne. Si OUR est tel que rpm atteint son max et que C passe en dessous de la consigne, le contrôleur cascade sur D et augmente le débit. Si, dans le process, OUR vient à diminuer entrainant une hausse de C au dessus de la consigne, la hiérarchie du contrôleur est de diminuer d'abord D puis rpm.

On peut évidemment sophistiquer avec cascade à 3 actionneurs, par exemple selon :

D'où le schéma :
regulation-o2-cascade_f3 (16K)