Розробка IoT-системи автоматизованого моніторингу та управління процесом дистиляції у фармацевтичній біотехнології

Abstract

Кваліфікаційна робота присвячена розробці IoT-системи автоматизованого моніторингу та управління процесом гідродистиляції ефірної олії м'яти перцевої (Mentha piperita) відповідно до вимог Належної виробничої практики (GMP). У ході виконання роботи спроєктовано та зібрано кіберфізичний апаратно-програмний комплекс на базі платформи Arduino Uno R3. Для нівелювання теплової інерції системи впроваджено алгоритми ПІД-регулювання нагріву, а для фільтрації апаратних завад термопари застосовано цифровий фільтр експоненційного ковзного середнього (EMA). Удосконалено класичну технологію дистиляції шляхом застосування текстильного фільтрувального елемента, що дозволило усунути ефект парового каналоутворення та запобігти піролізу сировини. Розроблено програмний механізм автоматичного логування параметрів процесу на SD-накопичувач для формування електронних журналів серій (Batch Records) з дотриманням принципів цілісності даних ALCOA+. Експериментально доведено, що гальванічно ізольоване живлення мікроконтролера гарантує стабільність збору даних навіть за умов критичної просадки напруги на силових лініях виконавчих механізмів. Впровадження розробленої системи дозволило уникнути термічної деградації термолабільних сполук (зокрема ізомеризації ментолу), підвищити загальний кількісний вихід цільового продукту та забезпечити економію понад 30% енергоносіїв порівняно з традиційним неавтоматизованим процесом.The qualification thesis is devoted to the development of an IoT system for automated monitoring and control of the peppermint (Mentha piperita) essential oil hydrodistillation process in accordance with Good Manufacturing Practice (GMP) requirements. During the research, a cyber-physical hardware-software complex based on the Arduino Uno R3 platform was designed and assembled. To mitigate the thermal inertia of the system, PID heating control algorithms were implemented, and an exponential moving average (EMA) digital filter was applied to filter thermocouple hardware noise. The classical distillation technology was improved by using a textile filter element, which eliminated the steam channeling effect and prevented raw material pyrolysis. A software mechanism for automatic logging of process parameters to an SD card was developed to generate Electronic Batch Records in compliance with ALCOA+ data integrity principles. It was experimentally proven that the galvanically isolated power supply of the microcontroller guarantees data collection stability even under critical voltage sags on the actuator power lines. The implementation of the developed system prevented the thermal degradation of thermolabile compounds (specifically, menthol isomerization), increased the overall quantitative yield of the target product, and provided energy savings of over 30% compared to the traditional non-automated process.