Fermentación

Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 19 Nº 2, 2011, pp. 210-218

Modelación, simulación y control de procesos de fermentación Modeling, simulation and control of fermentation processes
Nelson Aros1 Marcelo Cifuentes1 Javier Mardones1

Recibido 6 de octubre de 2009, aceptado 19 de mayo de 2011 Received: October 6, 2009 Accepted: May 19, 2011 RESUMEN Se presenta un simulador enambiente Matlab/Simulink para controlar el proceso de fermentación, diseñando una ley de control invariante, luego un control estabilizante para mantener la planta dentro del sistema de referencia y finalmente un control estabilizante mejorado con la implementación de un controlador difuso. El modelo Monod es utilizado y vía simulación se prueban las estrategias aludidas para controlar la tasa decrecimiento específica de la biomasa. El control estabilizante aplicado es superior a la ley invariante y con el PI difuso se logró mejorar el comportamiento en comparación con el PI tradicional. Palabras clave: Proceso de fermentación, modelo Monod, simulación, control estabilizante, control PI difuso. ABSTRACT We present a simulator in Matlab/Simulink environment to control the fermentation process,designing an invariant control law, after that a stabilizing control to keep the plant within the reference system and finally a stabilizing control improved with the implementation of a fuzzy controller. The Monod model is used and tested via simulation above strategies in order to control the specific growth rate of biomass. The stabilizing control is applied above the invariant law and thefuzzy PI was improved behavior compared with traditional PI control. Keywords: Fermentation process, Monod model, simulation, stabilizing control, fuzzy PI control. INTRODUCCIÓN En [1] se presentan varios modelos de biorreactores, donde se identifica que el problema real está dado en la escasez de medidas en línea. Además, la variable de estado dominante, como la concentración de sustrato en el medio,es muy difícil de medir. Otros problemas son la fuerte incertidumbre paramétrica y la presencia de no-linealidad significativa. Como consecuencia de esto, todos los reguladores aplicables deben utilizar la menor cantidad de medidas posibles y ser absolutamente robustos. La importancia de los diseños presentados en [1] es apoyada por un hecho dominante, existen dos modelos o estructuras estándaresque representan por lo menos el 95% de todos los cultivos puros de interés industrial. En este trabajo se investiga un modelo de fermentación lo suficientemente robusto para realizar un simulador en ambiente Matlab/Simulink para propósitos de control y, a la vez, desarrollar controladores que sean capaces de regular la tasa de crecimiento específica y aumentar la robustez ante variación de lasentradas. Así, se presenta la siguiente estructura: se hace una breve descripción de la problemática general, luego se examina un conjunto de modelos matemáticos para biorreactores y sus funciones cinéticas más representativas, luego se describe el problema de

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Aros, Cifuentes y Mardones:Modelación, simulación y control de procesos de fermentación

control, junto con las entradas de control y las salidas medibles en el proceso, posteriormente se aborda el diseño de los controladores, después se discuten las pruebas realizadas con cada uno de los controladores implementados y se entregan las conclusiones generales del trabajo realizado. MODELADO DE BIORREACTORES Modelosfenomenológicos El crecimiento de microorganismos o biomasa (como las bacterias y levaduras) procede por el consumo de nutrientes apropiados o sustratos (carbono, nitrógeno, oxígeno), bajo condiciones medioambientales favorables (como la temperatura, pH y otros), ver [3-4]. Asociadas con el desarrollo celular, pero a menudo procediendo en un rango diferente, están las reacciones enzimo catalizadas en las...