Çok girdili-çok çıktılı kontrolun ekmek mayası üretimine uygulanması
Application of multi input-multi output control to baker's yeast production
Yazar: HAVVA BOYACIOĞLU
Danışman: PROF. DR. HALE HAPOĞLU
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Saccharomyces cerevisiae = Saccharomyces cerevisiae

Özet:
Ekmek mayası olarak bilinen Saccharomyces cerevisiae mikroorganizmasının çoğaltıldığı kesikli bir biyoreaktörde ürün verimliliği ve seçimliliği göz önünde bulundurularak biyotepkime ortamının sıcaklık ve çözünmüş oksijen (DO) derişiminin kontrolu gerçekleştirilmiştir. Biyoreaktör sıcaklığının kontrolunu gerçekleştirmek amacıyla soğutma suyu akış hızı, DO derişiminin kontrolu için hava akış hızı ayarlanabilen değişken olarak seçilmiştir. 
Çalışmanın ilk aşamasında biyoreaktör dinamiği incelenmiş ve yinelemeli en küçük kareler algoritması kullanılarak sıcaklığın ve DO derişiminin deneysel ve teorik olarak üçüncü dereceden zaman tekrarlı ortalama (ARMAX) modelleri elde edilmiştir. Çalışmanın diğer aşamasında, biyoreaktör sıcaklığının ve DO derişiminin deneysel ve teorik olarak tek girdili-tek çıktılı (SISO) ve çok girdili-çok çıktılı (MIMO) kontrolleri sırasıyla gerçekleştirilmiştir. Teorik kontrol çalışmalarında dinamik çalışmalar sonucunda elde edilen üçüncü dereceden ARMAX modelleri kullanılmıştır. Kontrol çalışmalarında geleneksel kontrol yöntemi olan PID kontrol ve ileri yöntemlerinden olan genelleştirilmiş öngörmeli kontrol (GPC) kullanılmıştır. GPC kontrol yönteminin kullanıldığı çalışmalarda model parametreleri her bir örnekleme zamanında algoritma tarafından tekrar hesaplanmıştır. Yapılan deneysel ve teorik çalışmalar sonucunda ekmek mayası üretilen kesikli bir biyoreaktörde biyotepkime ortamının sıcaklığı ve DO kontrolu başarıyla gerçekleştirilmiştir.
Biyoreaktör sıcaklığının ve çözünmüş oksijen derişiminin eşzamanlı kontrolu sırasında etkileşim önleyici kullanımı gerekli bulunmuştur. Etkileşim önleyici ile birlikte kullanılan MIMO kontrol, ekmek mayası üretimini SISO kontrol tekniklerine göre en az %24 oranında artırmıştır.

Abstract:
In a batch bioreactor in which Saccharomyces cerevisiae microorganism known as Baker's yeast growth,  the medium temperature and dissolved oxygen (DO) concentration are controlled by considering product efficiency and selectivity. To control the bioreactor temperature and the DO concentration, cooling water flow rate and air flow rate were chosen as the manipulated variables respectively. 
In the first stage of the study, the dynamics of the bioreactor was examined. A third-degree autoregressive moving average with external input (ARMAX) models were obtained experimentally and theoretically for temperature and DO concentration by using recursive least squares algorithm. Other stage of the study, the experimental and theoretical single input-single output (SISO) and multi input-multi output (MIMO) controls of the bioreactor temperature and DO concentration were achieved respectively. In theoretical control studies, the third-order ARMAX models obtained from dynamic studies were used. PID control as the traditional control method, and generalized predictive control (GPC) as advanced control method were used in control studies. The model parameters for GPC method were recomputed at each sampling time. As a result of experimental and theoretical studies, the temperature and DO concentration of bioreactor medium were controlled successfully in a batch bioreactor in which baker's yeast was produced.
Decoupling was found to be necessary in the case of simultaneous control of the bioreactor temperature and the dissolved oxygen concentration. Compared with SISO control techniques, at least 24% increase in the production of Baker's yeast was obtained by using MIMO control techniques with decoupling.