Diseño y control de miniturbidostatos

Abstract

[CA] A efectos de maximizar el rendimiento y productividad de los bioprocesos, la biotecnología industrial actual ha de hacer frente a problemas críticos, como son el modelado, la estimación de variables clave, y el diseño de mecanismos de actuación (control) sobre el estado metabólico de los microorganismos. En los últimos años, los turbidostatos de pequeña escala, que usan un circuito de realimentación para mantener constante la densidad celular, están empezando a estar disponibles en los laboratorios para realizar caracterización y escalado de sistemas biológicos sin restricciones de nutrientes. De esta forma, los turbidostatos son una herramienta prometedora para ser utilizada como paso intermedio entre el laboratorio y el biorreactor industrial. En el presente proyecto se ha diseñado e implementado un turbidostato, a partir de un diseño e implementación parcial proporcionada por el ai2. Se ha revisado, mejorado y ampliado el diseño proporcionado por el ai2 para satisfacer las nuevas necesidades: modo autónomo, mayor capacidad de cálculo, ampliación a cinco cámaras de cultivo en paralelo. Se ha realizado un diseño nuevo de la estructura del turbidostato, el cual consiste en un módulo de control y un módulo para las cámaras de cultivo. Por otro lado, se ha hecho una revisión del sensor de biomasa, mejorando su precisión y resolución, al utilizar un módulo específico de la BeagleBone Black para tratar la señal de frecuencia generada. El observador ha sido optimizado para reducir el ruido en su estimación y además se han desarrollado estratégicas para acelerar en gran medida su convergencia. Se han implementado y diseñado varios tipos de control, destacando el controlador no-lineal adaptativo desarrollado por el ai2. Se ha desarrollado una aplicación en C/C++ que se ejecutará en la BeagleBone Black del turbidostato, esta se encargará de realizar el control y además ejecutará un servidor TCP para poder comunicarse con la aplicación desde el exterior. Por tanto, ha sido necesario elaborar un protocolo de comunicación. Se ha desarrollado una aplicación en Java, la cual podrá ser ejecutada en un ordenador personal. Servirá de interfaz gráfica con el turbidostato, desde la cual se podrá variar todos los parámetros de control y recopilar los datos experimentales. La aplicación está basada en un cliente TCP. Además se ha construido un prototipo de una única cámara de cultivo para realizar la validación experimental del sistema. Una vez validado la funcionalidad del prototipo, se ha realizado varias pruebas experimentales utilizando diferentes tipos de control. Los resultados obtenidos fueron exitosos y fueron utilizados para realizar una publicación científica en la prestigiosa revista “IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY”.