Diseño E Implementación De Una Estrategia De Control Por Rechazo Activo De Perturbaciones De Orden Fraccionario Aplicado Al Crecimiento De Microalgas

Las microalgas son usadas para la producción industrial de componentes de alto valor, los cuales han venido siendo utilizados en diferentes áreas como: cosmética, farmacológica, industria alimentaria, remediación ambiental e industria energética. Las microalgas se pueden cultivar en fotobiorreactores continuos, semicontinuos o por lotes. El objetivo de un fotobiorreactor continuo es obtener una alta producción de biomasa en condiciones controladas. Para esto, es necesario garantizar que el bioproceso alcance y se mantenga en el valor de concentración celular deseado, sin importar las dinámicas no modeladas, la variación de parámetros y las perturbaciones internas o externas que se presenten. Con esta propuesta de investigación, se busca realizar el diseño y la implementación de una estrategia de Control por Rechazo Activo de Perturbaciones (ADRC, Active Disturbance Rejection Control) de orden fraccionario para controlar la tasa de dilución en un cultivo continuo de microalgas y garantizar que la concentración celular se mantenga lo más cerca posible de la referencia dada, independientemente de las incertidumbres del modelo, la variación de parámetros, las dinámicas no modeladas y las perturbaciones interna y externas. El desempeño del sistema será evaluado en condiciones nominales, frente a variación de parámetros y con presencia de perturbaciones externas, en cultivos de las microalgas Chlorella vulgaris UTEX 265 y Scenedesmus obliquus UTEX 393. Es importante resaltar, que el ADRC de orden fraccionario ha empezado a ser utilizado en el control de sistemas mecánicos y eléctricos, pero a la fecha no existen reportes en algún tipo de bioproceso.Con base en lo anterior se plantea: 1) la fabricación e instrumentación de un fotobiorreactorcontinuo que sirva como planta para realizar el estudio del desempeño de la estrategia ADRC de orden fraccionario, 2) el diseño e implementación de la estrategia ADRC de tipo fraccionario y 3) evaluación de la propuesta por medio de experimentación en cultivos continuos de las microalgas Chlorella vulgaris UTEX 265 y Scenedesmus obliquus UTEX 393.Lograr realizar esta investigación, sería el primer paso para ubicar a Colombia a nivel mundialcomo referente de investigación de este tipo de estrategias de control avanzado a nivel de bioprocesos. En este contexto, la generación de nuevas estrategias de control en bioprocesospropician un panorama con mejores condiciones de productividad para la industria de biocomponentes. Por otra parte, este proyecto fortalece la educación con la formación deestudiantes de pregrado, posgrado y formación de jóvenes investigadores; la generación denuevo conocimiento; y el fortalecimiento de las capacidades científicas y técnicas de los grupos de investigación a través de la creación de lazos de cooperación entre Universidades.A nivel de propuestas de investigación futuras, de una parte, se contempla obtener modelos fraccionarios de bioprocesos que representen un comportamiento más cercano a la realidad del que se logra con los modelos enteros tradicionales. De otra parte, lograr el incremento de la producción de metabolitos (por ejemplo: lípidos) al garantizar, por medio del ADRC de orden fraccionario, que el bioproceso presenta una alta productividad de biomasa en condiciones controladas. Lo anterior, buscando el fortalecimiento del sector productivo.

Microalgae are used for industrial production of high value components, which have been used in different areas such as: cosmetics, pharmacology, food industry, environmental remediation and energy industry. Microalgae can be grown in continuous, semi-continuous or batch photobioreactors. The objective of a continuous photobioreactor is to obtain a high production of biomass under controlled conditions. For this, it is necessary to guarantee that the bioprocess reaches and remains at the desired cell concentration value, regardless of the unmodeled dynamics, the variation of parameters and the internal or external disturbances that arise. With this research proposal, we intend to design and implement a strategy pf Active Disturbance Rejection Control (ADRC) of fractional order to control the dilution rate in a continuous culture of microalgae and guarantee that the cell concentration is kept as close as possible to the given reference, independently of the uncertainties of the model, the variation of parameters, the unmodeled dynamics and the internal and external perturbations. The performance of the system will be evaluated under nominal conditions, against variation of parameters and presence of external disturbances, in cultures of the microalgae Chlorella vulgaris UTEX 265 and Scenedesmus obliquus UTEX 393. It is important to highlight that the ADRC of fractional order has begun to be used in the control of mechanical and electrical systems, but to date there are no reports on any type of bioprocess.Based on the above, it is proposed: 1) the manufacture and instrumentation of a photobioreactorcontinuous that serves as a plant to perform the study of the performance of the ADRC strategy of fractional order, 2) the design and implementation of the ADRC strategy of fractional type and 3) evaluation of the proposal through experimentation in continuous cultures of microalgae Chlorella vulgaris UTEX 265 and Scenedesmus obliquus UTEX 393.Achieve this research, would be the first step to locate Colombia worldwide as a reference for research of this type of advanced control strategies at the level of bioprocesses. In this context, the generation of new control strategies in bioprocesses propitiate a panorama with better productivity conditions for the biocomponent industry. On the other hand, this project strengthens education with the training of undergraduate, graduate and training students of young researchers; the generation of new knowledge; and the strengthening of the scientific and technical capacities of the research groups through the creation of cooperation ties between Universities.At the level of future research proposals, on the one hand, it is expected to obtain fractional models of bioprocesses that represent a behavior closer to the reality of what is achieved with traditional whole models. On the other hand, achieve the increase in the production of metabolites (for example: lipids) by guaranteeing, by means of the ADRC of fractional order, that the bioprocess presents a high productivity of biomass under controlled conditions. The above, seeking the strengthening of the productive sector.

Bioprocesos, microalgas, producción de biomasa, fotobiorreactor continuo, cálculo fraccionario, control por rechazo activo de perturbaciones.