Simuladores de biorreactores en la Industria de Procesos
Simuladores de Biorreactores – En la industria de procesos y la investigación relacionada, se utilizan diferentes tipos de simuladores. Debido al tremendo aumento en el rendimiento de las computadoras personales y las capacidades computacionales en constante mejora, las condiciones para el uso de software de simulación han mejorado significativamente. Los paquetes de software de simulación se utilizan con diferentes propósitos y en diferentes áreas de aplicación.
Sin pretender ser exhaustivos, las áreas principales de simuladores de biorreactores son la ingeniería asistida por computadora (CAE) y la ingeniería de procesos asistida por computadora (CAPE), la planificación de la producción, el diseño del control y la automatización de procesos, la investigación y desarrollo, y la formación y educación.
CAE y CAPE comprenden principalmente la planificación y el diseño de procesos estacionarios e invariantes en el tiempo cerca de puntos óptimos de operación. Las herramientas de CAE y CAPE más desarrolladas permiten la simulación de procesos dinámicos y variantes en el tiempo.
Estos paquetes pueden utilizarse para el diseño u optimización de estrategias operativas, así como para la prognosis, diagnóstico e interpretación del comportamiento dinámico del proceso (es decir, para procesos por lotes).
A menudo, las herramientas de simuladores de biorreactores de CAE y CAPE incluyen bibliotecas de modelos con modelos estándar y proporcionan herramientas para el desarrollo individual de modelos.
Con la ayuda de simuladores para la planificación de la producción, se pueden desarrollar y optimizar procesos completos de producción y fabricación.
Estos simuladores frecuentemente no incluyen modelos mecanicistas de operaciones unitarias, sino que se centran en las secuencias procedimentales y duraciones de los pasos individuales de producción.
Otro grupo de simuladores permite el diseño de controladores y sistemas de automatización, la optimización de procedimientos operativos y la planificación de procedimientos de puesta en marcha y apagado.
Estos simuladores de biorreactores apoyan el modelado de funciones secuenciales en un proceso y las funciones de respuesta dinámica escalonada de subsistemas que deben ser controlados y automatizados, así como los controladores aplicados en los procesos.
La investigación y desarrollo requieren software de simulación con una flexibilidad muy alta para la formulación de nuevos modelos y algoritmos para la estimación de parámetros o la optimización de procesos.
Un propósito fundamental de la simulación de biorreactores y el modelado en universidades, institutos de investigación y departamentos de investigación industrial es apoyar la adquisición de nuevos conocimientos y comprensión científica. A menudo, los simuladores se utilizan para el diseño de nuevos experimentos.
Finalmente, los simuladores en educación y formación se utilizan para transmitir conocimientos básicos de procesos o comprensión avanzada de procesos para la optimización de los mismos. Otro campo es el entrenamiento real de competencias operativas y competencias para actuar.
Para procesar estas tareas, están disponibles numerosos sistemas de simulación comerciales o universitarios.
Los sistemas de simulación muy poderosos incluyen ASPEN y Hysis, ChemCad, SIMBA, GPS-X , Matlab/SIMULINK, WinErs, Berkeley Madonna, DIVA, y DIANA (MPI Magdeburg), así como el paquete C-eStIM, desarrollado en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Bremen. Estos sistemas de software se utilizan en la industria química, tecnología ambiental y biotecnología, así como en universidades.
Simuladores de Entrenamiento de biorreactores
Los simuladores de entrenamiento para operadores (OTS, por sus siglas en inglés) y los simuladores interactivos para educación son una clase especial de simuladores.
Aunque tanto los OTS como los simuladores interactivos para educación se utilizan con fines de formación y educación y pueden compartir mucho en común desde una perspectiva técnica, es útil aclarar las diferencias entre estos dos tipos de simuladores de biorreactores.
Los OTS se utilizan básicamente para el entrenamiento de operadores de planta con respecto a la operación y manejo de procesos utilizando el sistema de control de procesos.
El entrenamiento frecuentemente comprende procedimientos de puesta en marcha y apagado, así como el entrenamiento para la operación normal y estrategias de resolución de problemas para situaciones críticas del proceso.
En el curso del entrenamiento, es especialmente crucial cómo se opera un proceso (saber cómo) y en menor medida por qué se elige una estrategia particular (saber por qué).
Una característica especial de los OTS es que el tiempo de la simulación corresponde al tiempo del proceso real (operación en tiempo real).
Además, los aprendices pueden operar el simulador a través de una interfaz de usuario del sistema de control de procesos de manera análoga al proceso real.
La tarea esencial de los simuladores interactivos para la educación es impartir y profundizar la comprensión del proceso por parte de estudiantes y aprendices (saber por qué).
Basándose en los resultados de simulación en biorreactores de un simulador interactivo para la educación, ciertos efectos o fenómenos de un proceso pueden ser fácilmente demostrados e ilustrados en comparación con un modelo matemático más abstracto.
Se pueden encontrar ejemplos de simuladores para la educación ocasionalmente en plantas y con mayor frecuencia en la educación superior y universidades.
Una clase especial de simuladores de biorreactores para la educación son aquellos que se utilizan para la formación de ingenieros de instrumentación y control en la industria de procesos.
Con estos simuladores, los procesos de producción industrial se muestran particularmente en su comportamiento dinámico.
Siempre que el simulador sea capaz de realizar cálculos en tiempo real y posea interfaces apropiadas, se pueden vincular controladores de procesos estándar al simulador.
En esta configuración, los aprendices de instrumentación y control pueden realizar de manera segura un análisis del comportamiento de la planta y practicar la configuración de parámetros de control.
Combinaciones más elaboradas de OTS y simuladores interactivos para la educación pueden utilizarse para la planificación y puesta en marcha de sistemas completos de automatización y control de procesos.
En el texto subsiguiente, las expresiones «simulador de entrenamiento para operadores» y «simulador interactivo para la educación» no se distinguirán estrictamente.
En su lugar, se utiliza el término «simulador de entrenamiento» ya que parece probable que ambos tipos de simuladores continúen convergiendo en el futuro.