Contribuciones al modelado y optimización del proceso de fermentación acética

Resumen

Como objetivo principal, la tesis aborda el estudio del modelado y optimización de la etapa de fermentación del proceso de aceitficación. Para ello se diseño y construyó una planta automatizada de laboratorio, incluyendo el desarrollo de software para su seguimiento y control, y se planificaron estrategias experimentales específicas orientadas a detectar las posibles influencias entre variables del proceso. Esto permitió obtener gran cantidad de datos fiables, sin dependencia de personal de laboratorio, a emplear en la fase posterior al modelado. En esta etapa, de entre los distintos tipos de modelos existentes, se optó por uno de primeros principios basado en ecuaciones de conservación, de equilibrio y cinéticas introduciendo, para estas últimas, nuevas propuestas matemáticas basadas en el análisis de los datos experimentales recabados, obtenidos en condiciones diferentes. Seguidamente, se llevó a cabo el estudio de identificabilidad estructural de los parámetros introducidos en el modelo, tratando de comprobar si, al menos teóricamente, pudieran ser estimados de forma única, bajo el supuesto de datos experimentales perfectos. Para ello se emplearon diversos procedimientos, tanto analíticos como numéricos, obteniendo, efectivamente, que el modelo era identificable estructuralmente. El complemento a este estudio es el de identificabilidad práctica que, a diferencia del anterior, toma en consideración la cantidad y calidad de los datos experimentales disponibles, así como la sensibilidad de estas medidas respecto a cambios en los valores de los parámetros. Para llevar a cabo este análisis se empleó un procedimiento iterativo, combinado con la estimación de parámetros, per permitió determinar que el modelo no era identificable en la práctica, aunque su simulación representaba muy bien todas las condiciones experimentales estudiadas. Esto permitió concluir que el modelo era válido para su uso posterior, aunque no se podían deducir consecuencias de tipo físico en relación al valor obtenido de los parámetros. Para la estimación de los mismos se utilizó una estrategia evolutiva global junto con un algoritmo SQP local, para la minimización de una función objetivo de mínimos cuadrados. Esta técnica se mostró muy eficiente para la obtención de soluciones en las cercanías del óptimo global. Finalmente, obtenido un modelo del proceso, se llevó a cabo un estudio de optimización dinámica, tratando de establecer el perfil temporal óptimo de las variables operacionales (en este caso, el caudal de materia prima de entrada) para la maximización de dos aspectos distintos: la producción y la velocidad de fermentación. Para ello, tras la revisión de las técnicas existentes para tal fin, se escogió la estrategia de parametrización del vector de control (o CVP) y se obtuvo como resultado un modo de trabajo muy similar al empleado a nivel industrial, utilizado durante años en el sector y obtenido mediante ensayo y error, lo que permite validar la optimización realizada. De este modo se dispone de un modelo que puede ser empleado para nuevos análisis del proceso orientados a la evaluación previa y optimización de otros modos de trabajo.