Introducción al Control de Bioprocesos
Conceptos básicos, técnicas de transformada de Laplace y linealización, modelado e identificación de bioprocesos.
Instrumentación y Control en Bioprocesos
Sensores y transmisores, válvulas de control, estrategias de control.
Automatización en la Industria Biotecnológica
La industria tiende a aumentar el grado de automatización debido a:
- Competencia creciente.
- Un sistema automatizado en el proceso de producción nunca se cansa, siempre está atento y actúa de manera confiable.
La automatización permite reaccionar rápidamente a:
- Cambios en la calidad de la materia prima.
- Cambios en las condiciones ambientales.
De esta forma, se puede:
- Reducir el consumo de energía y material.
- Aumentar la seguridad del proceso, el rendimiento, la productividad y la calidad del producto.
Esto se aplica tanto en el upstreaming (llenado, esterilización y mezcla) como en el downstreaming (recolección, separación, concentración y cristalización) de los bioprocesos. Cada paso exige un alto grado de automatización.
Desafíos de la Automatización en Bioprocesos
- La automatización en el downstreaming es más complicada.
- Los procesos de transporte se combinan con una multitud de reacciones bioquímicas dinámicas durante el cultivo.
- Se genera un sistema complejo, no lineal, multiparamétrico y variante en el tiempo.
- Se dispone de poco conocimiento detallado y completo.
- Los microorganismos utilizados tienen muchos sistemas de circuito cerrado propios, que solo pueden manipularse indirectamente a través de las condiciones ambientales.
Tipos de Control en Biorreactores
Sistema de Circuito Abierto
Aporte → Controlador → Señal de control → Proceso → Producto
Sistema de Circuito Cerrado
Aporte → Controlador → Señal de control → Proceso → Producto
↑ ← Elemento de medición ←←←←←←←← ↓
Interacciones en Procesos Biotecnológicos
Los procesos biotecnológicos son interacciones complejas entre procesos físicos, químicos y biológicos. Estas interacciones se expresan en términos de ingeniería utilizando:
- Balance de materia y energía.
- Cinética de crecimiento de microorganismos.
- Procesos de transporte.
Estructura del Sistema de Control de Biorreactores
Monitoreo
Parámetros físicos, químicos, fisiológicos y bioquímicos.
- Parámetros físicos: Temperatura, presión, agitación, nivel de líquido, espuma, viscosidad, turbidez, flujo de gases y líquidos.
- Parámetros químicos: pH, oxígeno disuelto (DO), potencial redox (ORP), composición del gas.
- Parámetros fisiológicos/bioquímicos: Biomasa, morfología, contenido de sustancias.
Controladores y Actuadores
Actuadores: Válvulas, motores, interruptores, bombas peristálticas.
Recopilación y Procesamiento de Datos
- Operación humana.
- Computadoras (PCC, CCS, FCS).
- Red (NCS, computación en la nube).
- Comunicación con tecnología 5G.
Estrategias y Algoritmos de Control
Monitoreo
Sensores blandos y estimadores de estado.
- Parámetros bioquímicos/fisiológicos.
- Otros parámetros secundarios (OUR, CER).
Gestión de Datos
Almacenamiento, visualización, minería de datos, comunicación (protocolo estándar).
Control Clásico
- Control de encendido/apagado (On/Off).
- Control PID.
Control Avanzado
- Control difuso.
- Redes neuronales artificiales.
- Control híbrido.
- Control basado en modelos.
- Control predictivo.
- Control basado en conocimiento (sistemas expertos, inteligencia artificial).
Variables y Técnicas de Detección en Bioprocesos
Variables Físicas
- Temperatura: Termostato, termistor, elemento térmico.
- Espuma: Resistencia.
- Viscosidad: Viscosimetría.
- Presión: Manómetro.
Variables Químicas
- Oxígeno: Electroquímico, semiconductor, óptico.
- Dióxido de carbono: Electroquímico, semiconductor, óptico.
- Sustrato y metabolitos: Biosensores, electroquímicos, espectroscópicos.
- pH: Electroquímico, semiconductor, óptico.
Variables Biológicas
- Biomasa: Espectroscopía, basado en impedancia, microscopía in situ.
- Morfología celular: Microscopía in situ, citometría de flujo.
- Metabolismo celular: Medición de fluorescencia.
Control en Circuito Abierto
Con frecuencia se emplean sistemas de control de circuito abierto.
- Es la técnica de control más simple y antigua.
- No requiere mediciones en línea.
- La condición operativa preferida, basada en los parámetros operativos iniciales, actúa como entrada al sistema.
Aporte → Controlador → Señal de control → Proceso → Producción
Limitaciones del Control en Circuito Abierto
- Requiere conocimiento precalculado de perfiles.
- Dificultad en la formulación matemática de sistemas no lineales.
- Desafíos con respecto a la aplicación en tiempo real.
- Requiere bases de datos complejas de procesos.
Control en Circuito Cerrado (Retroalimentación)
Para lograr un control de circuito cerrado, es vital contar con mediciones confiables del sistema.
Aporte → Controlador → Señal de control → Proceso → Producción
Elemento de medición
El objetivo es mantener las variables del proceso relevantes dentro de los límites prescritos sin la acción directa de un operador.
Pasos del Controlador de Retroalimentación
- Medir la variable controlada (concentración, temperatura, pH, oxígeno disuelto).
- Comparar la medición con el valor deseado (punto de ajuste).
- Ajustar otra variable (variable manipulada) que tenga un efecto directo sobre la variable controlada, hasta alcanzar el punto de ajuste (velocidad de alimentación, velocidad de enfriamiento, velocidad de aireación).
Velocidad de Transferencia de Oxígeno
El coeficiente volumétrico de transferencia de masa de oxígeno (kLa) puede estimarse a partir de: densidad, viscosidad, difusividad del gas, velocidad de agitación, tamaño de burbujas.
La solubilidad del oxígeno disuelto se rige por la ley de Henry.
La concentración de oxígeno en el medio se mide con un sensor de O2.
Métodos Experimentales para la Determinación de kLa
- Métodos químicos: Oxidación de sulfito, absorción de CO2, biooxidación de catecol.
- Métodos físicos: Método dinámico, método de eliminación de gases, método de análisis de gases, oxidación de Kriptón.
Componentes de un Sistema de Control Automático
Sensor
- El principio de medición de un sensor PT100 es que el valor de resistencia eléctrica (platino) varía de forma conocida con la temperatura.
- El sensor incluye un transmisor de temperatura que detecta el valor de resistencia y genera una señal eléctrica.
Controlador
- Contiene una computadora que ejecuta un programa que implementa la función de control.
- La señal de medición del sensor está conectada al controlador.
- Se puede configurar la referencia de temperatura (r) mediante botones.
- El controlador ajusta automáticamente la señal de control (u) al actuador.
Actuador
- Válvula de 3 vías controlada electrónicamente (agua caliente, agua fría, agua mezclada).
- Manipulado por el controlador con una corriente eléctrica (0-20 mA).
Diagrama de Bloques
Un sistema o componente que se puede controlar, con una entrada r(t) y una salida y(t), se representa mediante bloques.
r(t) → Sistema o proceso g(t) → y(t)
- r(t): Entrada
- g(t): Sistema
- y(t): Salida
Son útiles para mostrar las variables (señales) y los componentes de un sistema de control.
Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (EDO)
Muchos sistemas de ingeniería se modelan matemáticamente mediante ecuaciones diferenciales.
Ejemplo: Circuito RLC en serie, donde v(t) es la entrada, R (resistencia), L (inductancia) y C (capacitancia) son parámetros, t es la variable independiente y q es la variable dependiente.
- Las EDO y las ecuaciones diferenciales parciales (EDP) describen sistemas físicos en el dominio del tiempo.
- Una EDO contiene una sola variable independiente, mientras que una EDP tiene dos o más.
- El orden de una ecuación diferencial es el orden de la mayor derivada.
- El grado de una ecuación diferencial es el exponente de la mayor derivada.
Transformada de Laplace
Convierte una función f(t) del dominio del tiempo a una función F(s) en el dominio de la variable compleja s.
- Herramienta para el análisis del comportamiento del proceso.
- Transforma una ecuación diferencial en una ecuación algebraica.
- Resolviendo la ecuación algebraica y aplicando la transformada inversa (antitransformada), se obtiene la solución de la ecuación diferencial original.