[发明专利]基于数据驱动的燃料乙醇发酵罐早停止方法

说明书

本发明涉及一种基于数据驱动的燃料乙醇发酵罐的早停止方法，通过对不同时刻不同罐次的发酵罐中乙醇含量的历史数据进行数据建模，根据拟合得到的过程相关数据模型找到发酵的早停点，从而使发酵罐运行能够早停止；根据得到的数学模型，找到最大值点或不再显著增长的点对应的发酵时间，即找到早停点，让发酵罐早停止。通过合理的发酵罐早停止，能够有效减少资源能源的消耗，提升发酵设备的利用率，提升企业效益。

技术领域

本发明属于工业生物过程与自动化交叉领域，涉及在工业生物过程中，基于数据驱动的燃料乙醇发酵罐早停止方法。

背景技术

能源是经济和社会发展的基本动力。过去几十年里，尽管煤、石油和天然气的应用大大推动了世界经济的发展和人类社会的进步，但这些化石能源都不可再生，无法实现可持续发展。同时，化石能源的使用对环境污染和全球气候的影响日趋严重。

生物质能是以生物质为载体的能量，即蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮藏在生物质内部的能量形式。以生物质为原料的燃料乙醇是生物质能中最主要的能源之一，具有辛烷值高、燃烧充分、尾气中污染物含量低等特点。按照国家相关规划，添加了燃料乙醇的车用乙醇汽油将在全国推广使用，配套的燃料乙醇产量将迅速增长。燃料乙醇不仅可以直接用作燃料，而且还可广泛应用于电力、医疗、化工等领域。作为新的替代能源，燃料乙醇的研究和应用已被许多国家摆到了重要的战略地位。生物燃料乙醇的生产工艺涉及原料预处理、发酵、蒸馏和脱水等过程，其中发酵是酵母菌将葡萄糖代谢为乙醇的生物反应过程，是整个生产工艺的核心环节。

燃料乙醇生产正朝着大型化、连续化方面发展，发酵罐容积不断增大，其生产技术与工艺的研究和改进受到了高度重视。随着生产设备的大型化，其能耗较大的问题也逐渐明显，如何在一定程度上实现节能，缩短发酵周期起到降低生产成本、减少能耗、提高效率，是一个重要的发展方向。在发酵过程中，当原料消耗完毕，乙醇的含量将不再增长，如果能够及时的早停止，在乙醇含量不再增长的时刻就停止发酵罐的运行，那么将大大缩短无效的发酵时间，降低生产运行的能耗，提升设备的利用率。

发明内容

本发明目的是利用燃料乙醇发酵的过程数据，基于数据驱动的燃料乙醇发酵罐早停止方法，通过对不同时刻不同罐次的发酵罐中乙醇含量的历史数据进行数据建模，观察其离散分布情况，再选择合适的连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系，用解析表达式逼近离散数据。拟合得到一个发酵过程相关的数学模型，找到乙醇含量最大值点或不再显著增长的点对应的发酵时间，即找到早停点，让发酵罐早停止。从而在保证燃料乙醇产量与质量的同时，有效缩短发酵周期，减少生产设备的运行能耗，提升设备的利用率，降低企业生产成本。

本发明的具体技术方案是：基于数据驱动的燃料乙醇发酵罐早停止方法，通过对不同时刻不同罐次的发酵罐中乙醇含量的历史数据进行数据建模，根据拟合得到的过程相关数据模型找到发酵的早停点，从而使发酵罐运行能够早停止，减少无效的发酵时间；其中，数据建模所选取的过程数据为在不同罐次下不同发酵时间的乙醇含量，以发酵时间作为自变量，乙醇含量作为因变量；自变量为发酵时间t，因变量为发酵罐中的乙醇含量y。这样一组数据对即为(t,y)；

采集发酵罐样本数据，构建乙醇含量随时间的数据模型，假设建模数据有m个罐次，发酵时间点选取n个，那么相应地一共有m×n个数据样本点；根据多个罐次的训练数据样本对的离散分布情况，用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系，用解析表达式逼近离散数据；将残差平方和与adj.R²作为衡量模型拟合程度的指标，反应拟合结果的好坏，残差平方和越小越好，adj.R²越接近1越好；依此找到乙醇含量不再变化或不再显著变化的第一个点，即确定的早停点；按照该早停点对应的时间点，停止发酵罐的运行。

1.建模变量的选取