La tesis está centrada en los biorreactores en "fed-batch", dada la importancia de estos reactores agitados de alta densidad para la producción industrial eficiente de proteinas, encimas,.... utilizando microorganismos modificados genéticamente. El problema real está caracterizado por la escasez de medidas en línea. Otros problemas importantes son la (fuerte) incertidumbre paramétrica y la presencia significativa de no linealidades. Además de los problemas comentados, en el caso de biorreactores en ``fed-batch'' es necesario tratar con equilibrios parciales, es decir, sólo respecto a una parte de las variables. Los objetivos principales de la tesis son: - La búsqueda de un conjunto limitado de estructuras de modelos representando la mayor parte de los casos de interés industrial. - La solución, como primer paso en una aproximación de ``abajo-arriba'', del problema de control para el caso de cultivos puros con un sólo substrato limitante y asumiendo el oxígeno está en exceso. - El diseño de controladores para regular la tasa específica de crecimiento de los microorganismos. Utilizando solamente medidas en línea de biomasa y volumen, sin ninguna estimación de la tasa de crecimiento ni de ninguna otra variable. Y, finalmente, teniendo en cuenta las no linealidades del sistema, la incertidumbre y otros fenómenos. - Tratar el problema citado anteriormente de estabilidad parcial. El último punto ha marcado la elección de las posibles técnicas a estudiar para resolver el problema de control. En concreto: - Técnicas de control geométrico(Fradkov et al.). El problema de control de biorreactores puede ser visto como uno de "control de coordinación". La solución está relacionada con algunas propiedades específicas de los sistemas como la invarianza y la atractividad local de conjuntos no triviales en el espacio de estados. - Flatness. Aunque comunmente asociada con la linealización exacta, un sistema puede ser plano dentro de un subconjunto del espacio de estados sin ...... / Picó Marco, E. (2004). Nonlinear robust control of biotechnological processes. Application to fed-batch bioreactors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2901

Se estudió un proceso biohidrometalúrgico de recuperación de metales de pilas alcalinas y de cinc-carbón agotadas en una planta piloto constituida por dos biorreactores air-lift donde se produce medio ácido reductor mediante las bacterias acidófilas Acidithiobacillus thiooxidans, este medio se mezcla con las pilas en el reactor de lixiviación donde se extraen cinc y manganeso. La solución de estos metales se traslada al reactor de recuperación donde se obtiene el producto final del proceso: cinc y manganeso en forma de sales, óxidos o metales dependiendo del proceso de recuperación utilizado: electrólisis o extracción líquido-líquido. La productividad máxima de los biorreactores fue de 25mMH<SUP>+</SUP>/día, equivalente a una producción mensual de 51 moles de H<SUP>+</SUP>. La eficiencia máxima de lixiviación para el cinc fue 100% y para el manganeso, 60%. En los ensayos de electrólisis, el cinc se depositó en el cátodo con un 90% de pureza y el MnO2 en el ánodo, con una pureza de un 82%. En la extracción líquido-líquido, utilizando Cyanex 272 (ácido bis-2,4,4-trimetilpentil fosfínico), la eficiencia de extracción fue 90% para el cinc y 10% para el manganeso. Los óxidos de manganeso obtenidos en este proceso pueden ser utilizados como catalizadores para la eliminación de COVs.

No autorizado por el autor para ser publicado a texto completo / El presente trabajo tiene por objetivo la formalización de fundamentos sobre la gasificación de pellets de madera para ser utilizado en el diseño de equipos o procesos. La gasificación corresponde a un proceso de producción de un gas combustible a partir de una reacción heterogénea, en este caso: pellet de madera y un reactante gaseoso. El trabajo incorpora una revisión de antecedentes que cubren aspectos cinéticos, termodinámicos, de transferencia de masa y calor, además de fluidodinámicos. Posterior a la revisión de antecedentes se desarrolla un modelo que describe la dinámica de las concentraciones en el lecho de reacción mediante un sistema de ecuaciones de derivadas parciales respecto al tiempo y al eje axial del lecho. Mediante un balance de energía se describe los valores que alcanza la temperatura. Mediante la resolución numérica del modelo, se intenta caracterizar el lecho, con ello, se pueden realizar aproximaciones de conversión, poder calorífico, porcentaje de sólidos sin reaccionar, etc. La resolución numérica contempló un flujo másico de alimentación igual a de pellet de madera, con un tamaño de partícula promedio de ; un reactante gaseoso compuesto de vapor de agua enriquecido con oxígeno, cuyos flujos corresponden a y respectivamente. Además de una presión y temperatura inicial de y . Fue posible observar el régimen transiente y estacionario del sistema. El régimen estacionario permite describir el lecho a partir de sus principales características. Para largos de lecho entre o , el modelo muestra que se alcanzarían conversiones cercanas al , con un poder calorífico de la mezcla que fluctúa entre los y , alcanzando un de eficiencia térmica respecto al combustible sólido alimentado. El flujo de salida del reactor se estima en de gas de síntesis, con una composición de de hidrógeno, de monóxido de carbono, de dióxido de carbono y de metano. Asociado a ello un flujo de sólidos igual a , el que corresponden al sólido que no alcanzó a reaccionar, se estima un tamaño de partículas igual a .

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / El objetivo del presente trabajo es implementar un modelo de simulación para la mejora de la planta de tratamiento de RILes de la Bodega Cachapoal, propiedad de Viña Concha y Toro, utilizando el software GPS-X. La metodología utilizada contempla una revisión bibliográfica sobre las tecnologías disponibles para el tratamiento de RILes de la industria vitivinícola, enfocada en un sistema de biorreactores de membrana (MBR), considerando que la planta ya posee un sistema de lodos activados, la migración a un sistema de MBR implica un menor costo que migraciones hacia otros tipos de tratamiento, y además es una tecnología ya aplicada en otras bodegas de la viña. A su vez, se realiza una breve revisión acerca del software GPS-X. Para la implementación del modelo se comienza por realizar una caracterización de los RILes de la Bodega de San Javier, donde se ha realizado una migración de un sistema de lodos activados a un sistema de membranas MBR, con la finalidad de poder extrapolar dicha caracterización hacia la planta de la Bodega Cachapoal. A su vez, se caracteriza el RIL existente en la Bodega Cachapoal, en particular los parámetros de DQO, SST, N y P. Luego, se construye un modelo de simulación de la bodega de San Javier, de modo de ajustar los parámetros de fraccionamiento de la DQO para luego utilizarlos como referencia en el modelo realizado en la Bodega Cachapoal. Posteriormente se proponen 2 escenarios de modelación de la planta de tratamiento para la Bodega Cachapoal. Ambos escenarios consideran la aplicación de un biorreactor de membrana (MBR). El primer escenario considera el tamaño actual del reactor, esto es, 550 m3 y un área de membrana de 550 m2 para tratar un caudal de 300 m3/d. El segundo contempla la ampliación del volumen del reactor hasta 750 m3, con un área de membrana de 800 m2, para tratar un caudal de 400 m3/d. Además, se realiza un análisis de sensibilidad, donde se concluye que las variables que influyen mayormente en el funcionamiento de la planta son la edad del lodo, caudal y la DQO. Este ejercicio no considera variaciones en la presión transmembrana (TMP). Los resultados obtenidos para el efluente cumplen con la normativa, en particular la Tabla 1 del Decreto Supremo 90, la cual define los límites máximos de contaminantes permitidos para la descarga de RILes a cuerpos de aguas superficiales sin capacidad de dilución.

La búsqueda de fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles, ha motivado el interés por la investigación en nuevos métodos para la obtención de energía. Como es el caso de la producción de biodiesel a partir de aceites usados mediante la reacción de transesterificación. Bajo este criterio, la presente investigación se centra en el desarrollo de estrategias de control avanzado de la temperatura del reactor de transesterificación, con la finalidad de mejorar la eficiencia de conversión de los aceites en ésteres metílicos. Adicionalmente, se busca que la estrategia de control propuesta permita cumplir con las restricciones impuestas en la variable controlada (temperatura del reactor) y pueda trabajar alrededor del límite de operación (temperatura de ebullición del metanol). Para la obtención del modelo de la planta que permita analizar la dinámica del sistema y demostrar su complejidad, se usó la técnica de modelamiento matemático, a partir de las ecuaciones de balance de masa y energía. Para el control de la planta objeto de estudio, se propone el uso de un controlador de matriz dinámica cuadrática (QDMC) con restricciones suaves en la variable controlada y restricciones duras en la variable de control y las tasas de cambio de la misma. Este esquema permite evitar la no feasibilidad del algoritmo de programación cuadrática (QP) usado para resolver el problema de optimización del QDMC. Como parte final de la presente investigación y con la finalidad de demostrar la mejora mediante el uso de estrategias de control avanzado para la presente planta, se realizó la comparativa del controlador diseñado con un controlador PID convencional. / Tesis

This master thesis is devoted to the state estimation of a particular form of PDE systems, coupled parabolic PDEs with spatial dependent coefficients. This form of PDEs represent some dynamic systems such as Tubular Reactors, Diffusion in lithium-ion cells and Diffusive Gradient in Thin Films sensor. Other methods for this problem use "Backstepping" observers, in which the estimation error system is transformed into another system that is stable, reducing the problem to calculate the Kernel functions making the transformation possible. In some cases this calculation is not simple, also the simulation in real time of the observer system, that is also a PDE, can be difficult. The method presented in this thesis uses the properties of the so-called Modulating Functions in order to estimate the states. The procedure con- sists of generating an orthonormal basis of functions that can represent the state as a combination of them. Then auxiliary systems are formed from the original systems with boundary conditions that help in the simplification of the problem. Resolving these auxiliary systems, result in the calculation of the Modulating kernels. All of these steps can be made offline and do not have to be repeated. The functions are used together with the orthonormal basis in the online part, that consists of an inte- gration of a combination of the kernel functions, inputs and outputs of the system in a time window. Finally, with a matrix multiplication the coefficients for the ba- sis expansion of the state can be obtained, resulting in the desired state estimation. The present method is tested in systems that resemble the forms of the dynamics of Tubular Reactors and the performance is compared to other methods. / Diese Masterarbeit widmet sich der Zustandsschätzung einer bestimmten Art von Systemen, gekoppelten partiellen Differenzialgleichungen mit raumabhängigen Ko- effizienten. Diese besondere Form von PDEs repräsentiert einige dynamische Sys- teme wie Röhrenreaktoren, Diffusion in Lithium-Ionen-Batterien und Gradienten in dünnen Schichten. Andere Methoden für dieses Problem benutzen "Backstep- ping" Beobachter, bei denen das Schätzfehlersystem in ein anderes stabiles System transformiert wird, wodurch das Problem reduziert wird, um die Kernfunktionen zu berechnen, die die Transformation ermöglichen. In manchen Fällen ist diese Berech- nung nicht einfach. Auch die Simulation in Echtzeit des Beobachters System, das auch eine PDE ist, kann sehr schwierig sein. Die in dieser Arbeit vorgestellte Meth- ode verwendet die Eigenschaften der sogenannten Modulationsfunktionen, um die Zustände zu schätzen. Das Verfahren besteht darin, eine Orthonormalbasis von Funktionen zu erzeugen können, die den Zustand als Kombination von ihnen repräsen- tieren, dann werden Hilfssysteme gebildet von dem ursprünglichen Systemen mit Randbedingungen, die bei der Vereinfachung helfen, von dem Problem. Das Au- flösen dieser Hilfssysteme ergibt die Berechnung der modulierende Kerne. Alle diese Schritte können offline durchgeführt und müssen nicht wiederholt werden. Die Funktionen werden zusammen mit der Orthonormalbasis im Online-Teil ver- wendet. Dieser Teil besteht aus einer Integration einer Kombination der Kernfunk- tionen, Eingaben und Ausgaben des Systems in einem Zeitfenster. Schließlich kön- nen die Koeffizienten zur Basiserweiterung mit einer Matrixmultiplikation berech- net werden, was zu der gewünschte Zustandsschätzung führt. Das Verfahren wird am Beispiel der Dynamik eines Rohreaktors getestet und die Ergebnisse werden mit anderen Methoden verglichen.

The thesis involves the development and implementation of a new and robust control system based on permeability trends but at the same time capable of reducing aeration proportionally to permeate flux. Permeability was made a key parameter for directly comparing temporary changes in membrane performance. Transmembrane pressure and flux were gathered every 10 seconds and permeability values were automatically calculated; different mathematical algorithms were applied for the signal filtering of on-line data. Short term and long term permeability trends were compared once a day, and a control action was applied proportionally to the short term/long term permeability ratio without exceeding the aeration flow recommended by the membrane suppliers. / El treball presentat a la tesi inclou el desenvolupament i la implementacio d’un nou sistema de control robust basat en les tendencies de la permeabilitat i, al mateix temps, capac de reduir l’aeracio de forma proporcional al flux de permeat. S’ha seleccionat la permeabilitat com el parametre clau per comparar directament els canvis temporals en el funcionament de les membranes. La pressio transmembrana i el flux es mesuren cada 10 segons i llavors la permeabilitat es calcula automaticament. El senyal de les dades recollides en linia es filtra adequadament mitjancant diversos algoritmes matematics. L’algoritme de control compara diariament una tendencia a curt termini de la permeabilitat amb una tendencia a llarg termini de la permeabilitat, i s’aplica una accio de control proporcional al quocient de les dues tendencies, sense excedir mai el cabal d’aeracio recomanat pels fabricants de membranes.