El desarrollo de desarrollo de modelos en biorreactores es uno de los principales factores de costo en el desarrollo de simuladores de entrenamiento. Por lo tanto, se requieren herramientas de software potentes para apoyar la modelización, las cuales deben ofrecer la siguiente funcionalidad:
– Solución numérica de sistemas de ecuaciones diferenciales no lineales con (integrados) sistemas de ecuaciones algebraicas no lineales
– Algoritmos de estimación de parámetros
– Representación gráfica de los resultados de la simulación
– Entrada fácil de condiciones iniciales y valores de parámetros
– Interfaz con otros sistemas de software, como sistemas de control de procesos
– Interfaz con bibliotecas de modelos
– Herramientas de documentación y mantenimiento
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Software Systems for Model Development
Sería deseable que el sistema permita la creación de bibliotecas de desarrollo de modelos en biorreactores.
Las herramientas existentes para el desarrollo de simuladores de entrenamiento pueden agruparse en: (i) software para la solución numérica de sistemas de ecuaciones matemáticas, como Matlab/Simulink o WinErs, (ii) simuladores de ingeniería de procesos como Aspen o ChemCad, y (iii) paquetes de software basados en compiladores que utilizan bibliotecas matemáticas, como IMSL Numerical Libraries (Rogue Wave Software, Inc.), NAG Numerical Library, CERN Program Library, o Numerical Recipes. Además de estos, se han desarrollado algunos sistemas de software internos para el desarrollo de simuladores de entrenamiento.
Todos estos sistemas permiten desarrollar modelos individuales que pueden vincularse a sistemas de control de procesos mediante interfaces apropiadas. Además, los simuladores de ingeniería de procesos ofrecen bibliotecas de modelos estacionarios y dinámicos listos para usar para varias operaciones unitarias. Los sistemas basados en compiladores ofrecen la mayor flexibilidad y transparencia para los desarrolladores de modelos, ya que no solo se conocen los modelos, sino también los algoritmos para su solución y estimación de parámetros. Los sistemas de software para la solución numérica de sistemas de ecuaciones matemáticas son fáciles de usar y requieren poco entrenamiento específico o conocimientos avanzados de programación para su uso.
Uso Múltiple de desarrollo de modelos en biorreactores.
Debido al alto esfuerzo requerido en la modelización, tiene sentido maximizar las aplicaciones de los modelos. Esto requiere una buena separación entre las propiedades específicas del proceso y las características generales en el modelo. Los modelos genéricos para subprocesos estándar u operaciones unitarias pueden resumirse fácilmente en bibliotecas de modelos. Estos también están disponibles comercialmente en las bibliotecas de los simuladores de ingeniería de procesos.
Con frecuencia, los procesos contienen unidades de proceso específicas. Los modelos para estos procesos representan un conocimiento particular del propietario del proceso. Para construir una base de datos de conocimiento que contenga conocimiento en forma de modelos, se recomienda crear una biblioteca interna de modelos. Los modelos en esta biblioteca también pueden utilizarse internamente para diferentes propósitos, como los descritos en las secciones anteriores de este capítulo.
Además, el conjunto de valores de los parámetros del modelo representa un conocimiento específico del proceso. También podrían formar parte de una biblioteca interna de modelos y deben ser descritos y documentados de manera adecuada.
Los principales desafíos para el uso múltiple de modelos de procesos en biorreactores son su documentación y las interfaces entre diferentes modelos, bibliotecas de modelos y sistemas de software. Por esta razón, se han desarrollado estándares como CAPE-OPEN-LaRN, y deberían aplicarse siempre que sea posible.
En esta sección, se presentan tres ejemplos de simuladores de entrenamiento con biorreactores: un simulador de entrenamiento de biorreactores para cultivos en suspensión de Saccharomyces cerevisiae (levadura de panadero) y Escherichia coli, un simulador de entrenamiento para el proceso de digestión anaeróbica y un simulador de entrenamiento para una planta piloto de bioetanol.