Control de la concentración de microorganismos en mini-turbidostatos

Abstract

[ES] 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, centrándose el proyecto en los aspectos de medida de concentración de biomasa, estimación de la tasa específica de crecimiento, y uso de ambos para el control en bucle cerrado de la concentración de biomasa. Además, se han conseguido realizar experimentos físicos probando su funcionamiento. La tarea de construir un turbidostato es un proceso complejo que combina muchas ramas del conocimiento: biología, electrónica, teoría de control y óptica. En primer lugar, se ha diseñado e implementado un sensor óptico de concentración de biomasa basado en medida de absorbancia. Este sensor óptico está compuesto por un módulo laser y dos fotodiodos colocados estratégicamente para poder medir la pérdida de intensidad del haz láser al atravesar el cultivo. En segundo lugar, se ha tratado el problema de control en bucle cerrado de la concentración de biomasa a partir de medidas de la misma. Cabe destacar que el modelo matemático de un turbidostato es no-lineal y existen parámetros que no se pueden determinar. El control adaptativo no lineal implementado utiliza un modelo mínimo del proceso, pero, por contra, requiere la medida de la tasa específica de crecimiento del microorganismo. Esta señal no puede medirse directamente, por lo que se ha implementado un observador para su estimación. Se ha utilizado un observador discreto deslizante de segundo orden, que asegura convergencia de las estimaciones en tiempo finito, al mismo tiempo que estimaciones suaves. Por otro lado, se ha desarrollado un programa en Matlab que permite la monitorización y control del estado del turbidostato. También se ha añadido un simulador para facilitar las tareas de diseño del controlador.