Modeling and simulate alcohol fermentation process by Simulink

KHOA HỌC   
  CÔNG NGHỆ  
 P-ISSN 1859-3585      E-ISSN 2615-9619  
 
MODELING AND SIMULATE ALCOHOL FERMENTATION  
PROCESS BY SIMULINK  
MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LÊN MEN CỒN TRÊN SIMULINK  
 
Tran Van Tai, Nguyen Truong Giang,  
Nguyen Duc Trung*  
 
1. INTRODUCTION  
ABSTRACT  
Ethanol fermentation is widely used in the production of foods like alcoholic beverages. In previous  
Fermentation is a key process stage  
in  ethanol  production.  For  improving  
the  cost  efficiency,  production  
efficiency  and  obtaining  desired  
product,  the  research  to  optimize  the  
fermentation  process  for  defining  the  
best  operating  parameters  is  needed.  
Fermentation is a multivariable control  
system with complex nonlinear kinetics  
[1].  There  are  multiple  modeling  
methods  but  with  complex  technical  
systems  models,  the  nonlinear  system  
of  differential  equations  often  used.  
Simulation  and  optimization  of  
fermentation  conditions  for  the  
production of ethanol has gained great  
importance  in  the  manufacturing  
practice.  Effective  and  reliable  
research, the production of ethanol by batch fermentation  and continuous  fermentation process was  
examined. Continuous fermentation is a complex process consisting of many alterations of energy and  
matter flows. For improving the overall fermentation process efficiency, a rigorous analysis to determine  
optimal values for operation variables is needed. Simulation of the process is a recognized way for doing  
such an analysis. In this study, a MIMO (Multi Input, Multi Output) nonlinear multivariable predictive  
controller was developed for an alcoholic fermentation process. Effect of agitation rate and heat exchange  
in bioreactors during ethanol fermentation wasn’t analyzed. Mathematical models were used to predict  
the  influence  of  operating  parameters  on  cell  concentration,  substrate  utilization  rate  and  ethanol  
production  rate.  The  basic  principle  used  in  this  model  is  a  concept  of  balance  theory  of  mass  and  
energy.Parameter were estimated from experimental data. The kinetic model with its parameters was  
applied in the simulation of a continuous fermentation process for ethanol production. Simulations for  
multiple scenarios were carried out using software tool Simulink using block diagrams, overlaid on the  
Matlab  R2016a  programming  language.  Results  was  obtained  in  the  simulation  is  the  basis  for  the  
preliminary evaluation of results in optimization, identification and linearization and can be used for  
design of the control systems as well as the operating mode prediction.  
Keywords: Continuous ethanol fermentation process; dynamic simulation; kinetic model; MIMO; Simulink.  
assessment  
continuous alcohol  
utility  
for  
TÓM TẮT   
fermentation  
Hệ thống lên men cồn được ứng dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm. Các nghiên cứu về chúng  
thường là khảo sát các hệ thống lên men gián đoạn (theo mẻ) hoặc liên tục, quá trình lên men liên tục  
được mô hình hóa động học và mô phỏng trong nghiên cứu này. Đây là một quá trình phức hợp gồm  
nhiều quá trình biến đổi của các dòng năng lượng và dòng vật chất. Quá trình lên men liên tục được nhìn  
nhận với tư cách một đối tượng điều khiển là một mô hình động học phi tuyến đa biến với các tương tác  
chéo của các tín hiệu vào và các tín hiệu ra (hệ đa biến - MIMO). Quá trình khuấy trộn và quá trình truyền  
nhiệt không được tập trung đi sâu phân tích trong nghiên cứu. Mô hình hóa động học được xây dựng chi  
tiết làm cơ sở cho mô phỏng quá trình lên men liên tục. Cân bằng năng lượng và cân bằng vật chất là hai  
nguyên lý căn bản được sử dụng trong mô hình hóa. Thiết kế mô phỏng dựa trên công cụ đồ hình của  
phần mềm Simulink được đóng trong gói Matlab R2016a. Kết quả của các trường hợp hoạt động sản xuất  
khác nhau có thể được đưa ra từ sơ đồ mô phỏng này. Đây là cơ sở cho việc đánh giá sơ bộ các kết quả  
nghiên cứu về tối ưu, nhận dạng và tuyến tính hóa phục vụ thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống cũng  
như dự báo chế độ vận hành.  
process was established in this study.  
In  the  mathematical  model  used  in  
simulation,  in addition to the detailed  
kinetics  
model  
also  
includes  
computational  equations  describing  
heat transfer, temperature dependence  
of  kinetic  parameters,  oxygen  transfer  
as  well  as  the  effect  of  metal  
concentration  and  temperature  on  
mass  transfer.  The  kinetic  equations  
used  in  the  mentioned  bioreactor  
model are modifications of the Monod  
equations  based  on  the  Michaelis  
Menten kinetics, proposed by Aiba.    
Từ khóa: Lên men liên tục, mô phỏng động học, mô hình động học, MIMO, Simulink.  
 
2.  A  STATE  -  SPACE  MODEL  FOR  AN  
ALCOHOLIC FERMENTATION     
Hanoi University of Science and Technology  
*Email: trung.nguyenduc@hust.edu.vn  
Received: 25/4/2021  
Revised: 05/6/2021  
Accepted: 25/6/2021  
In this study, the spatial distribution  
of  parameters  in  the  bioreactor  wasn't  
assessed.  The  quantities  were  referred  
to  the  concentrated  parameters  
   Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 57 - Số 3 (6/2021)                                          Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn  
138  
P-ISSN 1859-3585     E-ISSN 2615-9619                                                                                                                           SCIENCE - TECHNOLOGY  
mathematical  model  based  on  the  model  assumption  of  
uniform distribution (ideal stirred tank) [2].    
The bioreactor is modeled as a continuous stirred tank  
with constant  the  substrate  flow. There  is also  a constant  
outlet flow from the bioreactor that includes the product,  
substrate and biomass (Fig. 2).    
Ethanol  production  is  divided  into  two  phases:  
respiration  (yeast  propagation  under  aerobic  conditions)  
and ethanol fermentation under anaerobic conditions:  
The kinetic equations used in the mentioned bioreactor  
model are modifications of the Monod equations based on  
the Michaelis-Menten kinetics, proposed by Aiba et al [3].  
- Aerobic conditions: C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O    
- Anaerobic conditions: C6H12O6  2C2H5OH + 2 CO2 + Q  
dcX  
dt  
cS  
pcp  
 mXc  
eK  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
    (1)  
    (2)  
    (3)  
X KS cS  
dcP  
dt  
cS  
p1cp  
μPcX  
eK  
 
KS1 cS  
dcS  
dcX  
dcP  
1
1
 
dt RSX dt RSP dt  
Where RSX  and RSP are defined asratio of cell produced  
per  glucose  consumed  for  growth  and  ratio  of  ethanol  
produced  per  glucose  consumed  for  fermentation,  
respectively.    
 
Inorganic  salts  are  added  with  the  yeast.  Those  are  
necessary compounds for the formation of coenzymes. But  
the  inorganic  salts  also  have  a  strong  effect  on  the  
equilibrium concentration of oxygen in the liquid phase.    
Figure 1. Flow diagram of transform matter in bioreactor  
Effect of the ionic concentration is calculated by Eq (4):  
HI HNaINa HCaICa HMgIMg HClICl  
i i  
(4)  
 
                    
HCO ICO HHIH HOHIOH 0,1274  
3
3
The  equilibrium  concentration  of  oxygen  depend  on  
temperature  in  distilled  water  is  given  by  the  empirical  
equation as follows [4] :  
c*O 14.6 0.3943T 0.007714T2 0.0000646T3 (5)  
2 ,0  
r
r
r
      
In  the  fact  that  salts  are  dissolved  in  the  medium  the  
equilibrium  concentration  of  oxygen  in  liquid  phase  is  
calculated by Setchenov equation [4]:  
 
Figure 2. The continuous fermentation reactor  
HI  
i i  
c*O c*O ,0 10  
(6)  
      
2
2
 
 
 
 
 
Mass  transfer  coefficient  for  oxygen  related  to  
temperature  is  determined  by  the  following  empirical  
equation [5]:    
 
Figure 3. Diagram description of a state variable xi  
T 20  
r
(kla) (kla)0 (1.024)  
 
Equation for the rate of oxygen consumption is:  
cO  
 
1
2
Figure 4. Diagram description of the system state equation  
rO μO  
c
(7)  
      
YO X KO cO  
2
2
2
2
2
The continuous fermentation reactor is shown in Fig. 1  
and  2  described  as  a  block  diagram  of  the  input  (U)  and  
output (Y)  vectors. Dynamic  response  in output Y to step  
change in input U ( Fig. 4).    
 
 
 
 
The  formula  of  the  maximum  specific  growth  rate  
related  to  the  growth  rate  that  increases  with  the  
temperature and the effect of the heat denaturation:  
a1 /R(T 273))  
a2 /R(T 273))  
r
μX A1e(E  
A2e(E  
(8)  
      
r
dX  
dt  
Y = G(X,U)  
=F(X,U)  
dxi  
dt  
    
 
i=1:n  
  
= fi (X,U)  
 
(I)  
In continuous fermentation process, there are inlet and  
outlet flow. Total volume of the reaction medium is:  
139  
KHOA HỌC   
  CÔNG NGHỆ  
 P-ISSN 1859-3585      E-ISSN 2615-9619  
[  Rate  of  change  in  volume]  =  [  Volume  input  rate]    
[Volume output rate]  
c*O ,0 14.60.3943T 0.007714T2 0.0000646T3  
dV  
dt  
r
r
r
2
F F   
 
 
 
 
 
    (9)   
i
e
HI  
i i  
c* cO ,0 10  
*
O2  
2
Where:  Fi  and  Fe  are  defined  as  flow  of  substrate  
entering  the  reactor  and  outlet  flow  from  the  reactor,  
respectively.  
cO  
1
2
r
μ  
c
O  
YO X KO cO  
O2  
2
2
2
2
μX A1e /R(T 273)) A2e(E  
(Ea1  
a2 /R(T 273))  
r
r
A biomass balance is presented as follows:  
dV  
dt  
dcX  
dcX  
dt  
cS  
Fe  
V
pcp  
eK  
cX  
(10)  
FiFe  
μXc  
 mXc  
X KS cS  
 
 
     
    
cS  
Fe  
V
eK c  
cX  
p
p
The  mass  balance  for the  product is  presented  by  the  
following equation:  
dt  
X KS cS  
dc  
cS  
Fe  
V
p1cp  
μPcX  
eK  
cP  
P
dcP  
dt  
cS  
KS1 cS  
Fe  
V
p1cp  
eK  
cP  
(11)  
dt  
dcS  
dt  
KS1 cS  
 mPcX  
cS  
X KS cS  
cS  
1
RSX  
Fi  
V
 
 
 
    
p
p
  μXc  
eK c  
cS,in  
A substrate mass balance is expressed by Eq. (12):  
[Substrate  utilization  rate]  =  [Substrate  input  rate]    
[Substrate output rate] – [Substrate uptake rate for growth]  
– [Substrate uptake for production formation]    
1
Fe  
V
p1cp  
μPcX  
eK  
cS  
RSP  
(kla)(c*O cO )rO  
2
KS1 cS  
dcO  
2
dcS  
dt  
cS  
X KS cS  
cS  
1
RSX  
1
Fi  
V
pcp  
eK  
cS,in  
2
2
   
μXc  
dt  
dT  
rO DH  
KTAT (T T )  
Fi  
V
Fe  
(T 273)(T 273)  
(12)  
r
r
ag  
r
2
Fe  
in  
r
p1cp  
eK  
cS  
 
 
dt  
dT  
V
32ρrCheat,r  
rCheat,r  
μPcX  
                 
RSP  
KS1 cS  
V
F
KTAT (T T )  
r ag  
ag  
ag (Tin,ag T )  
ag  
The  concentration  of  the  dissolved  oxygen  in  the  
reaction medium is calculated by Eq.(13):  
dt  
V
rCheat,ag  
j
[Oxygen  utilization  rate]  =  [Oxygen  input  rate  due  to  
the  mass  transfer]   [Oxygen  rate  consumed  for  
fermentation reaction]  
There  are  numerous  kinetic  models  for  ethanol  
fermentation.  Mathematical  models  have  been  used  to  
predict  the  effect  of  operating  parameters  on  biomass  
concentration,  substrate  utilization  rate  and  ethanol  
formation  rate.  The  kinetic  parameters  of  the  alcohol  
fermentation  were  used  in  this  study  obtained  from  the  
previous experimental data.   
dcO  
(kla)(c*O cO ) rO   
 
 
 
  (13)  
2
2
2
2
dt  
An energy balance for the fermentation process is given  
as below:   
For the bioreactor:    
Table 1. Parameter values used for simulation  
dT  
dt  
F
V
F
e
r
i
No  Parameter  
Nomenclature /  Value/  
(T 273) (T 273)  
in  
r
V
Greek symbols  
Unit  
9.5x108  
 
                             (14)  
rO DHr  
KTAT (T Tag )  
1  Pre  exponential  factors  in  Arrhenius  
equation  
A1  
r
2
32ρrCheat,r  
For the jacket:  
rCheat,r  
2  Pre  exponential  factors  in  Arrhenius  
equation  
A2  
AT  
2.55x1033  
dTag  
dt  
F
KTAT (T Tag )  
1, m2  
4.18, Jg-1K-1  
mg/L  
r
ag (Tin,ag Tag )   
Vj  
 
 
  (15)  
3  Heat transfer area   
VrCheat,ag  
4  Heat capacity of mass of reaction  
5  Oxygen concentration in the liquid phase  
Cheat,r  
Thus,  kinetic  modeling  of  alcohol  fermentation  in  
continuous  fermentation  bioreactor  is  a  set  of  
simultaneous equations:    
cO  
 
2
c*O  
6  Equilibrium concentration of oxygen in  
the liquid phase   
mg/L  
 
2
7  Product (ethanol) concentration  
8  Substrate (glucose) concentration  
9  Glucose concentration in the feed flow  
10  Biomass (yeast) concentration  
CP  
CS  
g/L  
60, g/L   
g/L  
CS,in  
CX  
g/L  
   Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 57 - Số 3 (6/2021)                                          Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn  
140  
P-ISSN 1859-3585     E-ISSN 2615-9619                                                                                                                           SCIENCE - TECHNOLOGY  
11  Apparent  activation  energy  for  the  
growth,  respectively,  denaturation  
reaction  
Ea1  
Ea2  
50000 J/mol   
220000 J/mol  
12  Flow of cooling agent  
13  Flow of substrate entering the reactor  
14  Outlet flow from the reactor    
15  Specific ionic constant of ion i (i = Na,  
Ca, Mg, Cl, CO3, etc.)  
Fag  
Fi  
Fe  
Hi  
L/h  
L/h  
L/h  
 
 
Figure 5. Schematic diagram simulated the overall system  
16  Ionic strength of ion i (i = Na, Ca, Mg,  
Cl, CO3, etc.)   
17  Product of mass-transfer coefficient for  
oxygen and gas-phase specific area  
18  Constant of oxygen consumption  
19  Constant of growth inhibition by ethanol  
Ii  
 
The  simulation  program  was  designed  according  to  
modularization  as  presented  in  Fig.  5.  Each  of  modules  
contained  nonlinear  and  integral  equations  to  describe  a  
system  of  equations  of  state  -  space  for  an  alcoholic  
fermentation as the following Fig. 6.  
Kla  
38, h-1  
KO2  
KP  
8.86 mg/L   
0.139, g/L   
20  Constant of fermentation inhibition by  
ethanol  
Kp1  
0.070, g/L   
21  Constant in the substrate term for growth  
22  Constant  in  the  substrate  term  for  
ethanol production  
KS  
KS1  
1.030, g/L   
1.680, g/L   
23  Heat transfer coefficient  
KT  
3.6x105    
Jh-1m-2 K-1  
24  Rate of oxygen consumption  
25  Universal gas constant  
mg l-1 h-1  
r
 
O2  
R  
8.31  
J mol-1 K1  
 
26  Ratio of ethanol produced per glucose  
consumed for fermentation  
27  Ratio  of  cell  produced  per  glucose  
consumed for growth  
28  Temperature  of  cooling  agent  in  the  
jacket  
29  Temperature  of  the  substrate  flow  
entering to the reactor  
RSP  
RSX  
Tag  
Tin  
0.435  
0.067  
15oC  
Figure 6. Detailed calculation of CAL_OXY_TR_TAG  
The  above  simulation  diagram  was  used  for  multiple-  
cases  simulation  depending  on  the  kinetic  parameters  
entered via M-file as follows:  
- Flow of substrate entering the reactor: Fi = 51 (l/h)  
- Outlet flow from the reactor: Fe = 51 (l/h)  
- Glucose concentration in the feed flow: CS,in = 60 (g/l)   
- Temperature of cooling agent in the jacket: Tag= 15oC.  
25 oC  
30  Temperature in the reactor  
31  Volume of the mass of reaction  
32  Volume of the jacket  
Tr  
V  
Vj  
30 oC  
50, L  
100, L  
- Temperature  of  the  substrate  flow  entering  to  the  
reactor: Tin= 25oC  
33  Yield  factor  for  biomass  on  oxygen  
(mg/mg),  defined  as  the  amount  of  
oxygen  consumed  per  unit  biomass  
produced  
YO2  
0.970,  
mg/mg  
-  Simulation - time: t = 60 (h)  
Simulation results obtained as follows:  
- Simulation results using Runge-Kutta (4,5)[6]  
- The  comparison  of  the  results  between  ode45  and  
34  Reaction heat of fermentation  
∆Hr  
μO2  
518 kJ/mol  
O2 đã tiêu  
thụ  
ode23 solvers.   
In the Fig. 7 showed the result of fermentation process.  
In the first 1 hour, it’s the lag phase for yeast acclimate for  
the environment so the reactor temperature decreased by  
cooler  agent.  At  the  log  phase  (about  10  hours  after  lag  
phase) where cells are rapidly growing and dividing that’s  
increase  temperature  in  the  reactor  and  then  the  reactor  
temperature was controlled by the cooler agent.  
35  Maximum  
specific  
oxygen  
 0.5, L/h   
consumption rate  
36  Maximum specific fermentation rate  
37  Maximum specific growth rate  
38  Density of cooling agent  
μP  
μX  
ρag  
ρr  
1.790, L/h   
h-1  
1000, g/L   
1080  
39  Density of the mass of reaction  
The two graphs (Fig. 8) shown that using Runge-Kutta  
(4,5) method(ode45) with higher convergence than Runge-  
Kutta (2,3) method(ode23). A smaller calculation step given  
more  accurate  results.  The  simulation  results  are  closely  
relevant  with  data  obtained  from  the  previous  
3. RESULTS AND DISCUSSION  
The  presented  dynamic  model  is  simulated  by  using  
software tool Simulink as a toolbox package in the Matlab  
R2016a software.  
141  
KHOA HỌC   
  CÔNG NGHỆ  
 P-ISSN 1859-3585      E-ISSN 2615-9619  
experimental. This simulation allows engineers to perform  
different analysis in order to select the best parameter for  
operating  fermentation  process.  The  application  of  this  
simulation  method  will  open  the  prospect  of  simulating  
multiple  fermentation  processes  in  food  technology  and  
biotechnology.  
4. CONCLUSIONS  
In  this  work,  we  have  simulated  the  modelling  of  
alcohol fermentation process by Simulink® which a tool of  
Matlab®.  Accordingly,  using  mathematical  models  and  
simulation  tools  have  predicted  the  result  and  reducing  
time  
and  
labor  
experimental  works.  We  
showed  the  using  Runge-  
Kutta  (4,5)  algorithm  
(ode45)  was  better  result  
than  Runge-Kutta  (2,3)  
algorithm  
Choosing  
(ode23).  
calculation  
method  is  also  important  
that effect to conclusions.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 7. Simulation results using Runge-Kutta  
 
REFERENCES  
[1].  Cheng  Y.,  T.W.  Karjala,  D.M.  Himmelblau,  1995.  Identification  of  
Nonlinear  Dynamic  Processes  with  Unknown  and  Variable  Dead  Time  Using  an  
Internal Recurrent Neural Network. Industrial & Engineering Chemistry Research,  
34(5): p. 1735-1742.  
[2].  Roels  J.A.,  1982.Mathematical  models  and  the  design  of  biochemical  
reactors. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 32(1): p. 59-72.  
[3].  Aiba S., M. Shoda, M. Nagatani, 2000. Kinetics of product inhibition in  
alcohol fermentation. Reprinted from Biotechnology and Bioengineering, Vol. X,  
Issue 6, Pages 845-864 (1968). Biotechnol Bioeng,  67(6): p. 671-90.  
[4].  Sevella  B.,  1992.  Bioengeneering  Operations.  Technical  University  of  
Budapest, Tankonykiado, Budapest.  
 
[5].  Godia F., C. Casas, C. Sola, 1988. Batch alcoholic fermentation modelling  
by  simultaneous  integration  of  growth  and  fermentation  equations.  Journal  of  
Chemical Technology & Biotechnology, 41(2): p. 155-165.  
[6].  Dormand  J.R.,  P.J.  Prince,  1980.  A  family  of  embedded  Runge-Kutta  
formulae. Journal of Computational and Applied Mathematics, 6(1): p. 19-26.  
 
THÔNG TIN TÁC GI  
 
Trần Văn Tài, Nguyễn Trường Giang, Nguyễn Đức Trung  
Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm,  
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội  
 
Figure 8. The comparison of the results between ode45 and ode23 solvers  
   Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 57 - Số 3 (6/2021)                                          Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn  
142  
pdf 5 trang yennguyen 20/04/2022 1220
Bạn đang xem tài liệu "Modeling and simulate alcohol fermentation process by Simulink", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfmodeling_and_simulate_alcohol_fermentation_process_by_simuli.pdf