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Diversificando el uso de la Energía Solar

Modelado, simulación, control y optimización de fotobioreactores-MACROBIO
DPI2011-27818-C02

CIESOL responsiva
CONTACTOS
José Sánchez
F.G. Acién
J.L. Guzmán
FUENTE DE FINACIACIÓN

Ministerio de Economía y Competitividad. Plan Nacional 2010

FECHA DE INICIO

01/2011

FECHA DE FINALIZACIÓN

12/2014

MINECO

Participantes:

  • Grupo de Inv. “Automática, Robótica y Mecatrónica”. Universidad de Almería (TEP 197)

  • Grupo de Inv. “Biotecnología de Algas Marinas”. Universidad de Almería (BIO-173)

  • Grupo de Informática y Automática de la UNED 

Situación: Finalizado.

Resumen:

El proyecto aborda el análisis, estudio y aplicaciones de las estrategias de modelado, control y optimización en el marco del control predictivo basado en modelos (MPC) y el control basado en eventos (EBC) para lograr una producción eficiente de biomasa de microalgas en fotobiorreactores a gran escala. Este problema de control está compuesto por diferentes niveles ya que dependiendo del uso final de la biomasa diferentes objetivos de control tendrán que cumplirse durante el proceso de producción. Por lo tanto, la existencia de diferentes objetivos ( productividad, objetivos económicos, aspectos ambientales y de calidad , etc.) generan un problema de control jerárquico multi- escala que se abordará mediante el uso de diferentes técnicas de control MPC incluyendo multi- escala no lineal y el muestreo basado en eventos. Asimismo, será necesario el desarrollo de modelos, estimadores y predictores de las variables de concentración de biomasa, las variables ambientales y del resto de las variables de proceso asociadas. En la actualidad, hay muy pocas aplicaciones a escala industrial de los procesos tratados en este proyecto, siendo por lo tanto de gran interés.

Objetivos:

  • Desarrollo y propuesta de estrategias de modelado e identificación para procesos basados en la producción de biomasa de microalgas. Se obtendrá modelos detallados y complejos para los requisitos de los niveles superiores y modelos simplificados para los diseños de control.

  • Desarrollo de estrategias de control predictivo y metodologías basadas en eventos para la producción óptima de biomasa en fotobiorreactores de gran tamaño mediante una adecuada reducción de costes y de la contaminación medioambiental.

  • Implementación y validación de las estrategias desarrolladas en diferentes plantas experimentales con clara relevancia industrial. Para este objetivo se utilizarán distintos tipos de fotobiorreactores.​

Resultados durante 2014:

pp

Ejemplo representativo sobre los resultados del modelo realizado basado en primeros principios

co2

Resultados experimentales de control basado en eventos. Productividad equivalente a control basado en tiempo con ahorros de pérdidas de CO2 del 30%

Las principales actividades llevadas a cabo durante 2014 han sido:

  • Desarrollo de metodologías para la obtención de modelos simplificados con fines de control de sistemas de producción de biomasa con microalgas.

  • Desarrollo de modelos de predicción de variables ambientales para su uso en el proceso de optimización de la producción de biomasa.

  • Desarrollo de estrategias de control de bajo nivel para el problema de control de producción de biomasa. Se desarrollarán estrategias de control lineales y no lineales para las variables de dinámica rápida tales como pH, presión, etc.

  • Formulación de los problemas de optimización para los objetivos de alto nivel en el problema de control de producción de biomasa. Se abordarán funciones de coste en el marco de estrategias de control predictivo.

  • Desarrollo de estrategias de control predictivo robusto y control nolineal para el problema de control de producción de biomasa, combinando especificaciones de bajo y alto nivel. Se hará uso de estrategias de control jerárquicas multiescala.

  • Implementación y validación de las diferentes estrategias de control en los fotobiorreactores industriales.

Publicaciones:

Capítulos de libros

  • Pawlowski, A., Guzmán, J.L., Berenguel, M., Dormido, S. Event-based model predictive control. In: Event-based control and signal processing. Edited by Marek Miskowicz, CRC Press/Taylor & Francis, USA, ISBN: 9781482256550, 2015.

Revistas

  • Fernández, I. Acién, F.G., Berenguel, M., Guzmán, J.L. First principles model of a tubular photobioreactor for microalgal production. Industrial & Engineering Chemistry Research, 53, 11121-11136, 2014. Impact factor 2.234, 36/133 Q2 (Engineering, Chemical).
  • Fernández, I., Acién, F.G., Berenguel, M., Guzmán, J.L., Andrade, G.A., Pagano, D.J. A lumped parameter chemical-physical model for tubular photobioreactors. Chemical Engineering Science, 112, 116-129, 2014. Impact factor 2.613, 24/133 Q1 (Engineering, Chemical).
  • Pawlowski, A., Mendoza, J.L., Guzmán, J.L., Berenguel, M., Acién, F.G., Dormido, S. Effective utilization of flue gases in raceway reactor with event-based pH control for microalgae culture. Bioresource Technology, 170, 1-9, 2014. Impact factor 5.039, 9/82 Q1 (Energy & Fuels), 17/165 Q1 (Biotechnology & Applied Microbiology), 1/12 Q1 (Agricultural Engineering).
  • Pawlowski, A., Fernández, I., Guzmán, J.L., Berenguel, M., Acién, F.G., Normey-Rico, J.E. Event-based predictive control of pH in tubular photobioreactors. Computers and Chemical Engineering, 65, 28-39, 2014. Impact factor 2.452, 30/133 Q1 (Engineering, Chemical), 18/102 Q1 (Computer Science, Interdisciplinary Applications).
  • Pawlowski, A., Cervin, A., Guzmán, J.L., Berenguel, M. Generalized predictive control with actuator deadband for event-based approaches. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 10(1), 523-537, 2014. Impact factor 8.785, 1/59 Q1 (Automation & Control Systems), 1/102 Q1 (Computer Science, Interdisciplinary Applications), 1/34 Q1 (Engineering, Industrial).
  • Rodríguez, C., Guzmán, J.L., Berenguel, M., Hägglund, T. Optimal feedforward compensators for systems with right-half plane zeros. Journal of Process Control, 24, 368-374, 2014. Impact factor 2.179, 14/59 Q1 (Automation & Control Systems), 38/133 Q2 (Engineering, Chemical).

Congresos

  • Andrade, G.A., Pagano, D.J., Fernández, I., Guzmán, J.L., Berenguel, M. Boundary Control of an Industrial Tubular Photobioreactor Using Sliding Mode Control. In 19th IFAC World Congress, 4903-4908. Cape Town, South Africa, 2014.
  • Andrade, G., Pagano, D., Guzmán, J.L., Berenguel, M. Optimización de la producción de biomasa en fotobioreactores tubulares. XXXV Jornadas de Automática, Valencia, España, 2014.
  • Guzmán, J.L., Rivera, D., Berenguel, M., Dormido, S. ITCLI: An interactive tool for closed loop identification. In 19th IFAC World Congress, 12249-12254. Cape Town, South Africa, 2014.
  • Guzmán, J.L., Hägglund, T., Aström, K.J., Dormido, S., Berenguel, M., Piguet, I. Understanding PID design through interactive tools. In 19th IFAC World Congress, 12243-12248. Cape Town, South Africa, 2014.
  • Pawlowski, A., Guzmán, J.L., Berenguel, M., Dormido, S. Event-based predictive control triggered by input and output deadband conditions. In 19th IFAC World Congress, 8116-8121. Cape Town, South Africa, 2014.
  • Pawlowski, A., Guzmán, J.L., Berenguel, M., Dormido, S. Lagrange interpolation for signal reconstruction in event-based GPC. In 19th International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation ETFA2014 - Workshop on Event-Based Systems. Barcelona, Spain, 2014.
  • Rodríguez, C., Guzmán, J.L., Berenguel, M., Normey-Rico, J.E. Optimal feedforward compensators for integrating plants. In 19th IFAC World Congress. Cape Town, South Africa, 2014.