Modelos estacionarios de biorreactores

Los modelos estacionarios de biorreactores son modelos invariantes en el tiempo. Desde el punto de vista de un simulador de entrenamiento, estos describen directamente las relaciones entrada-salida, principalmente en forma de ecuaciones algebraicas. Los modelos estacionarios de biorreactores se utilizan ventajosamente para describir las características de un proceso. 

Los modelos dinámicos describen la variación de las variables con el tiempo, a menudo en forma de sistemas de ecuaciones diferenciales. En los simuladores de entrenamiento, los modelos dinámicos suelen derivarse de principios fundamentales, como balances dinámicos de masa, energía o impulso. 

Por supuesto, también existen formas mixtas de modelos estacionarios de biorreactores. Ocasionalmente, también se utilizan modelos mecanicistas basados en principios fundamentales como modelos empíricos; por ejemplo, la estructura matemática de la cinética enzimática de Michaelis-Menten dentro del modelo de crecimiento de Monod. En el contexto de los simuladores de entrenamiento, puede ser apropiado usar modelos basados en primeros principios y combinarlos con funciones empíricas. Por ejemplo, se pueden utilizar funciones empíricas de respuesta al escalón para describir la transición dinámica de una variable de estado de un punto en una característica a otro debido al cambio en la variable de actuación. 

Los objetivos frecuentes de la modelización son: obtener comprensión de las relaciones causa-efecto, evoluciones temporales u órdenes de eventos; optimizar las estructuras de procesos, equipos y operaciones de procesos; así como apoyar la comunicación durante la planificación, gestión de proyectos y realización de proyectos; y, finalmente, la operación del proceso. 

Dentro de los simuladores de entrenamiento, los modelos matemáticos de procesos, como sistemas de ecuaciones algebraicas (no) lineales y ecuaciones diferenciales (no) lineales, forman la base para la simulación de procesos. Estos se combinan con otros tipos de modelos, como tablas de decisión o diagramas de flujo secuenciales (por ejemplo, para la realización de recetas). 

Existen diferentes submodelos para operaciones unitarias en ingeniería (bio)química, que describen: (i) microcinéticas (cinéticas de reacción bioquímica), (ii) macrocinéticas (procesos de transferencia de calor y masa), (iii) equilibrios de fase, (iv) balances de masa y energía, (v) reactores y equipos (por ejemplo, reactores continuos de tanque agitado o reactores de flujo pistón). Además, los datos de sustancias, datos de mezclas y datos de materiales de construcción forman una base fundamental para los modelos de simuladores de entrenamiento. Los simuladores de entrenamiento a menudo representan una planta completa, en lugar de una sola operación unitaria. Por lo tanto, deben destacarse otros dos niveles de modelado: (vi) el modelo de estructura de la planta, en el que las operaciones unitarias individuales están interconectadas entre sí, y (vii) el modelo del sistema de automatización y control de procesos.

Estrategia de Modelado

También para los simuladores de entrenamiento puede aplicarse una estrategia general para el desarrollo de modelos estacionarios de biorreactores. El desarrollo del modelo debe comenzar definiendo el sistema que se integrará en el simulador. Igualmente importante es la definición de los objetivos del modelado. En el caso de los simuladores de entrenamiento, se recomienda definir en esta fase los resultados esperados del entrenamiento y los escenarios deseables de formación. 

En la segunda fase, el proceso en cuestión debe describirse utilizando formas adecuadas de descripciones verbales y gráficas del proceso. Aquí se describen la estructura del proceso, principios fundamentales, así como relaciones causa-efecto, rangos operativos y secuencias operativas, posibles malfunciones, etc., según los objetivos definidos. 

La tercera fase comprende el modelado matemático. A menudo, ya existen modelos matemáticos para el sistema en cuestión. Por lo tanto, el modelado para simuladores de entrenamiento suele ser un proceso de búsqueda, selección, adaptación, modificación y extensión de modelos. Si no existe ningún modelo matemático adecuado, puede ser necesario formular un modelo completamente nuevo. 

Una vez que se ha seleccionado o formulado un modelo, este debe implementarse en un sistema de simulación. Posteriormente, el modelo debe parametrizarse de acuerdo con las dimensiones y características del proceso. Cabe señalar que los modelos de simuladores de entrenamiento de operadores suelen contener un número bastante alto de parámetros del modelo. En general, es imposible identificar estos parámetros únicamente a partir de datos originales del proceso o de experimentos o corridas de proceso específicamente diseñados. Sin embargo, los parámetros del modelo pueden derivarse de la geometría de las operaciones unitarias encontrada en la literatura o de información de bases de datos sobre propiedades de materiales y sustancias, parámetros cinéticos publicados y, en menor medida, de estimaciones de parámetros utilizando datos experimentales específicos del proceso. 

Debido a la falta de datos y la complejidad del modelo del simulador de entrenamiento, la validación y prueba del modelo a menudo es una combinación de verificaciones de plausibilidad y comparación de los resultados de la simulación con datos reales del proceso. Las pruebas del modelo del simulador en tanques de acero inoxidable deben cubrir todo el rango de condiciones operativas, incluso si no hay datos experimentales disponibles para todo el rango. Aunque una representación cuantitativa precisa del proceso puede no ser absolutamente necesaria, el modelo debe representar al menos las relaciones causa-efecto en un proceso de manera "cualitativamente correcta" y, por lo tanto, estar en consonancia con la descripción del proceso dada. 

El paso final y muy importante es la documentación del modelo y su implementación. Esta documentación es clave para la aplicabilidad del modelo, así como para su mantenimiento, desarrollo posterior y mejora, además de para su uso interno o externo adicional. La documentación es un requisito previo para prolongar el ciclo de vida de los modelos desarrollados. 

A diferencia de la mayoría de los modelos estacionarios de biorreactores publicados en la literatura científica, un simulador de entrenamiento completo para una planta biotecnológica se construye a partir de un número bastante grande de submodelos de operaciones unitarias con diferentes niveles de complejidad y subestructuras. La estrategia de modelado descrita es aplicable para cada submodelo por sí mismo, pero también para la combinación de submodelos para formar un modelo en el siguiente nivel.

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Costos en el modelado y simulación en biorreactores

Los costos en el modelado y simulación en biorreactores puede representar hasta el 50 % de los costos totales de desarrollo. Por lo tanto, el objetivo debería ser reducir significativamente estos costos. Este objetivo puede abordarse mediante mejoras en las áreas de (i) modelos y estrategias de modelado, (ii) sistemas de software para el desarrollo de modelos, (iii) estrategias de uso múltiple para modelos, actualización y intercambio mejorados de modelos, y bibliotecas de modelos. Además, se debe construir un simulador de entrenamiento utilizando herramientas eficientes para la calibración/parametrización de modelos y el desarrollo de modelos individuales altamente especializados.

Modelos de Procesos

Durante el desarrollo de simuladores de entrenamiento, se puede utilizar un amplio espectro de diferentes modelos para mitigar los costos en el modelado y simulación en biorreactores. En este texto, empleamos una definición bastante amplia del término "modelo": Un modelo es una representación abstracta o concreta de la realidad, que ilustra las relaciones, propiedades o secuencias de eventos relevantes de un sistema (técnico) (proceso, planta, instalación) con respecto a la utilización definida del modelo. 

Sin pretender ser exhaustivos, los siguientes tipos abstractos de modelos se utilizan en las diferentes fases de un proyecto de desarrollo de un simulador de entrenamiento: (i) descripciones verbales de procesos, (ii) gráficos para representar estructuras de procesos (por ejemplo, diagramas PI&D) y secuencias de procesos (por ejemplo, diagramas de flujo secuenciales), (iii) tablas (por ejemplo, tablas de decisión en control), (iv) varios tipos de modelos matemáticos, (v) algoritmos, (vi) sistemas expertos y (vii) programas informáticos. 

En el contexto de los costos en el modelado y simulación en biorreactores, los simuladores de entrenamiento, es útil definir los términos modelos descriptivos y prescriptivos, modelos empíricos y mecanicistas, así como modelos estacionarios y dinámicos, ya que todos estos modelos pueden ser utilizados de manera beneficiosa dentro de los simuladores de entrenamiento. 

Los modelos descriptivos describen un original existente mediante la reducción a las propiedades relevantes para un propósito específico.

Ejemplos de modelos descriptivos son los modelos de plantas 3D concretos o por computadora (a menudo reducidos en tamaño), que se utilizan para explicar la estructura del proceso a visitantes o nuevos empleados. Sin embargo, también algunos modelos matemáticos son modelos descriptivos, como los splines de interpolación ajustados a través de ciertos conjuntos de datos.

Modelos prescriptivos

Modelos prescriptivos describen un original planificado en forma de un proyecto de apoyo o planificación y realización de procesos. Ejemplos son los planos técnicos para construir una máquina o los diagramas P&ID para una planta planificada. 

Con respecto a los costos en el modelado y simulación en biorreactores y los procesos de ingeniería química, es relativamente fácil lograr un buen acuerdo entre los datos medidos y los modelos descriptivos, pero la extrapolación a nuevas condiciones de proceso es prácticamente imposible.

En contraste, los modelos prescriptivos se utilizan para ingeniería. A menudo están basados en principios fundamentales. Con modelos prescriptivos, es posible predecir nuevas condiciones de proceso. Sin embargo, un buen acuerdo entre el modelo y la realidad también requiere un esfuerzo significativo en el modelado. En diversas áreas de los simuladores de entrenamiento, se utilizan tanto modelos prescriptivos como descriptivos. 

Los modelos matemáticos a menudo se agrupan en modelos empíricos y mecanicistas, así como en modelos estacionarios y dinámicos. Los modelos matemáticos empíricos describen simplemente datos experimentales mediante estructuras matemáticas adecuadas, posiblemente sin ningún significado físico, biológico o químico.

Ejemplos de estos modelos son polinomios, splines o redes neuronales. Su fortaleza radica en su alta adaptabilidad a muchos conjuntos de datos, trayectorias y curvas mediante conjuntos adecuados de parámetros del modelo.

Su desventaja es su muy pobre capacidad predictiva y su uso limitado para comprender las relaciones causa-efecto y los mecanismos. Sin embargo, en los simuladores de entrenamiento, los modelos empíricos pueden ser utilizados con gran beneficio si los datos de entrenamiento existentes cubren todo el rango de condiciones operativas. 

Los modelos en biorreactores mecanicistas con tanques de acero inoxidable están basados en principios fundamentales y describen mecanismos físicos, biológicos o químicos, como la transferencia de calor o masa, la cinética bioquímica, etc. Su desventaja es que el modelado efectivo requiere un alto entendimiento de los mecanismos subyacentes a un proceso o operación unitaria en particular.

Además, la estimación de los parámetros del modelo puede resultar muy difícil, a menudo debido a la falta de datos apropiados. Las ventajas de los modelos mecanicistas son sus buenas capacidades predictivas, incluso en nuevos rangos de condiciones operativas.

También comprenden el conocimiento mecanicista de un proceso, y por lo tanto actúan como una base de conocimiento dentro de un simulador de entrenamiento y pueden ser utilizados, por lo tanto, para enseñanza y capacitación.

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Fases de simuladores de biorreactores

Las fases de simuladores de biorreactores son de una complejidad muy alta y debe realizarse de manera estructurada. Un proyecto de estas características puede dividirse en cinco fases principales. Cada una de ellas comprende diferentes tareas y culmina con un resultado bien definido.

En la fase de proyecto preliminar (fase 0), se llevan a cabo estudios de viabilidad, teniendo en cuenta las ideas generales sobre las aplicaciones y los objetivos de formación, el(los) lugar(es) donde se utilizará el simulador y su estructura general. También deben revisarse las herramientas que podrían utilizarse para el desarrollo, el cronograma, así como los posibles costos y beneficios (retorno de la inversión). El resultado de la fase preliminar suele ser un estudio de viabilidad, que sirve como base para la fase I del proyecto.

En la fase I de desarrollo de simuladores de biorreactores, se definen los requisitos para el simulador y se lleva a cabo la planificación básica. En esta etapa, se toman decisiones relacionadas con los objetivos definitivos de la capacitación, así como con el proceso que se va a simular. Se recomienda definir la estructura del simulador de entrenamiento de acuerdo con la sección anterior durante esta fase de planificación básica.

El principal resultado de la fase I debería ser un documento de especificaciones que incluya una descripción del proceso, diagramas de flujo del proceso, una buena descripción de los escenarios de capacitación, así como la definición de la estructura básica del simulador de entrenamiento.

También es útil definir una lista completa de las variables de estado de los biorreactores que se van a simular, así como una lista completa de las variables de control utilizadas para manipular el proceso. Finalmente, debe especificarse cuántas (al menos) gráficas deben mostrarse, si los datos históricos deben ser accesibles y cómo debería ser, en principio, la interfaz gráfica de usuario en las estaciones de monitoreo y control.

Durante la fase II del proyecto, se lleva a cabo la planificación detallada. Como resultado, toda la información necesaria para programar y construir el simulador debe estar disponible. Por lo tanto, es necesario definir en detalle la estructura del proceso, incluyendo todas las operaciones unitarias, actuadores, dispositivos de medición, variables de estado, lazos de control, etc.

Además, en las fases de simuladores de biorreactores debe especificarse la estructura y funcionalidad del sistema de automatización dentro del simulador. Es útil emplear diagramas de flujo secuenciales (SFC), que describan los principales procedimientos operativos, los cuales deben implementarse de acuerdo con los escenarios de capacitación y las operaciones estándar requeridas.

En la fase II, los escenarios de capacitación pueden revisarse o recibir una especificación más detallada. Una descripción detallada de las relaciones de causa y efecto dentro del proceso, así como los principios subyacentes en combinación con datos reales del proceso (al menos provenientes de experimentos a nivel de planta piloto), forman la base para el desarrollo del modelo del proceso. Finalmente, el modelo matemático del proceso debe desarrollarse a partir de la información proporcionada en la fase II del proyecto.

La fase II del proyecto de simuladores de biorreactores también se ocupa de la especificación de la estructura del propio simulador de capacitación y, por lo tanto, del hardware, interfaces y sistemas de software requeridos.

Aquí también en las fases de simuladores de biorreactores deben identificarse las herramientas de software necesarias. Los entregables sugeridos para la fase II del proyecto son: una descripción verbal del proceso, diagramas de flujo del proceso, diagramas P&ID (de tuberías e instrumentación), diagramas de flujo secuenciales para procedimientos estándar y de capacitación, escenarios de capacitación revisados y modelos matemáticos del proceso, así como una lista del hardware informático y las herramientas de software necesarias para la realización del simulador de capacitación. Finalmente, debe entregarse un cronograma de realización para la fase III del proyecto.

En la fase III de desarrollo de simuladores de biorreactores (realización y puesta en marcha), se construye, prueba, pone en marcha y entrega el simulador de capacitación para su uso por parte del cliente. Elementos importantes de esta fase son la programación de los modelos matemáticos, la implementación de la automatización y las interfaces gráficas de usuario en las estaciones de monitoreo y control, la implementación del hardware y las pruebas del simulador. Los escenarios de capacitación se prueban y finalizan, y se redacta la documentación del sistema. Finalmente, se realiza la puesta en marcha del simulador y se capacita al cliente para utilizarlo.

La importancia en las fases de simuladores de biorreactores de una post-fase de proyecto bien organizada (fase IV - operación y mantenimiento del sistema) en el ciclo de vida de los simuladores puede ser subestimada. En esta fase se lleva a cabo el mantenimiento del sistema, revisiones, mejoras y adaptaciones a estructuras de planta modificadas; además, se capacita a nuevos miembros del personal en el uso y mantenimiento del simulador. Además, los escenarios de capacitación pueden adaptarse a las necesidades actuales de la empresa, lo que a su vez podría requerir una adaptación adicional del simulador de capacitación.

Originalmente publicado Aquí Fases de simuladores de biorreactores

Simuladores de Entrenamiento para Biorreactores

Optimizando el Inicio de Plantas Aplicaciones Clave y Requisitos

Cuando se trata de poner en marcha una nueva planta o proceso, especialmente en instalaciones que emplean biorreactores, la preparación lo es todo. Los simuladores de entrenamiento, también conocidos como Simuladores de Entrenamiento para Operadores (OTS, por sus siglas en inglés), han revolucionado la manera en que las industrias biotecnológicas abordan el manejo de procesos complejos, las pruebas de automatización y el desarrollo de estrategias de control para procesos biológicos. Entrenamiento para biorreactores es clave para asegurar que los operadores comprendan la dinámica de estos sistemas y se adapten rápidamente a los desafíos que presentan.

Entrenamiento Antes de la Puesta en Marcha de Biorreactores
Uno de los usos más valiosos de los simuladores de entrenamiento es preparar a los operadores antes de que un biorreactor entre en operación. A través de los OTS, los operadores pueden practicar operaciones estándar, como inoculación, control de parámetros clave (pH, temperatura, oxígeno disuelto) y manejo de cultivos biológicos, en un entorno simulado. Este entrenamiento no solo aumenta la familiaridad con las características específicas del proceso biotecnológico y los sistemas de control, sino que también reduce el tiempo necesario para poner en marcha un biorreactor de manera segura y productiva. Además, el entrenamiento para biorreactores permite que los operadores anticipen posibles escenarios críticos y actúen de manera proactiva.

Sin embargo, crear estos simuladores puede ser un desafío debido a la complejidad inherente de los procesos biológicos. Durante el desarrollo, a menudo existe una cantidad limitada de datos confiables sobre el comportamiento de microorganismos o sistemas en distintas condiciones operativas. Los desarrolladores deben integrar principios fundamentales de biotecnología y modelos mecanísticos para estimar con precisión el desempeño del biorreactor.

Simplificación del Diseño y Ajuste de Controladores en Biorreactores
Los simuladores de entrenamiento también respaldan el diseño y ajuste de sistemas de control específicos para biorreactores. Estos requieren una precisión significativa al modelar procesos dinámicos como la tasa de crecimiento celular, el consumo de sustratos y la producción de metabolitos. Entrenamiento para biorreactores con estos simuladores asegura que los operadores y los ingenieros puedan:

• Demostrar controladores adaptativos diseñados para condiciones biológicas variables.
• Familiarizarse con estrategias de control específicas, como el control por retroalimentación para oxígeno disuelto.
• Usar interfaces que imiten sistemas reales de control, como SCADA o DCS, ajustados a procesos biotecnológicos.

Este enfoque asegura que las estrategias de control sean implementadas de manera efectiva en entornos que demandan alta precisión operativa.

Pruebas Confiables de Sistemas de Automatización en Biorreactores
La versatilidad de los OTS para biorreactores se extiende a las pruebas de sistemas de automatización. Al conectar el simulador con sistemas de automatización mediante interfaces de E/S adecuadas, los ingenieros pueden simular el monitoreo y control en tiempo real de parámetros biológicos críticos. Esto permite:

• Probar la funcionalidad básica de sensores específicos de biorreactores, como analizadores en línea de gases.
• Simular condiciones reales de operación, incluyendo variaciones en la concentración de nutrientes o contaminaciones hipotéticas.
• Mejorar la confiabilidad de los sistemas de control de procesos en biorreactores.

Entrenamiento para biorreactores en este contexto no solo mejora la preparación técnica, sino que también reduce los riesgos asociados con la operación en condiciones reales.

Desarrollo de Estrategias de Control y Optimización de Procesos Biotecnológicos
Para aplicaciones avanzadas, los simuladores de entrenamiento se utilizan en el desarrollo y la validación de estrategias de control biotecnológico. Mediante modelos mecanísticos que incluyen cinéticas de crecimiento celular y dinámicas de transferencia de masa, los simuladores permiten:

• Interactuar con controladores para ajustar dinámicamente las condiciones del biorreactor.
• Probar y refinar secuencias operativas, como ciclos de alimentación o purga.
• Experimentar con procedimientos de escalado para garantizar una transición exitosa de laboratorio a producción industrial.

Por ejemplo, simuladores especializados han sido utilizados para optimizar la producción de biofármacos y biocombustibles, como el bioetanol, demostrando su potencial en procesos basados en biorreactores.

Leer más Aquí Simuladores de Entrenamiento para Biorreactores

Propósitos de los Simuladores de Entrenamiento en biorreactores

A partir de la compilación mencionada previamente, se pueden derivar dos grupos de competencias y tareas en los que los simuladores de entrenamiento en biorreactores pueden aplicarse como una herramienta de capacitación eficiente en la formación y educación industrial y académica.

El Grupo 1 comprende aplicaciones donde la mejora del manejo o operación de procesos es el objetivo predominante.

El Grupo II se ocupa de aplicaciones donde la ingeniería y el desarrollo de procesos son respaldados por simuladores de entrenamiento.

Entrenamiento en el Manejo de Procesos en biorreactores

Siempre que se hayan incluido los modelos adecuados, los simuladores de entrenamiento en biorreactores pueden ejecutarse de manera segura, incluso en condiciones operativas inusuales o extremas.

Ofrecen una visión profunda de los subprocesos que participan en el proceso general, lo que permite al personal operativo o de planificación aumentar su conocimiento sobre todo el proceso y conceptos como el ahorro de energía o la sostenibilidad.

Los simuladores de entrenamiento tienen el potencial de profundizar la comprensión general del proceso en cuestión.

Entrenamiento básico en el manejo de operaciones unitarias

En la industria de procesos, se aplica con frecuencia un número relativamente pequeño de operaciones unitarias clave. Una de las operaciones unitarias que más consume energía en las industrias química y petroquímica es el proceso de destilación.

Se han desarrollado simuladores de entrenamiento en biorreactores para esta operación básica, por ejemplo, por Gilles et al., Worny y Jeromin, y Bao.

Debido al acoplamiento de los procesos de transferencia de calor y masa con la dinámica de fluidos dentro de una columna de separación, la dinámica del proceso de destilación es compleja y difícil de entender para los operadores de planta.

Un control deficiente del proceso puede conducir directamente a un aumento de los costos de producción.

El objetivo de los simuladores de entrenamiento en biorreactores para estas operaciones básicas es sensibilizar especialmente a los operadores de planta sobre la complejidad del proceso y practicar estrategias clave de operación del proceso.

Operación estándar de procesos y entrenamiento para la operación completa de la planta

Además de dominar las importantes operaciones unitarias básicas, los operadores de planta deben ser capaces de operar sistemas y plantas completas.

Para una operación estándar segura del proceso, los operadores son capacitados para observar las señales del proceso, atender las alarmas, corregir pequeños cambios activando actuadores apropiados como bombas o válvulas, invocar recetas, y así sucesivamente.

Esta capacitación apunta particularmente a la prevención de una operación negativa o incluso dañina. Esto implica el mal uso de bombas, válvulas, motores y otros agregados, lo que podría provocar la rotura de tuberías o la falla de subsistemas técnicos completos.

Procedimientos de arranque y parada

Procedimientos de arranque y parada seguros y optimizados pueden resultar en tiempos de inicio de operación más cortos, por ejemplo, después de una revisión de la planta, lo cual tiene efectos económicos positivos.

El arranque y la parada de una planta siempre son situaciones especiales para los operadores de planta. Para conocer exactamente la secuencia de estos procedimientos, se puede entrenar el arranque y la parada.

Sin embargo, para entrenar estas fases, los modelos de simulación deben cubrir una amplia gama de puntos de operación de las operaciones unitarias involucradas.

Situaciones excepcionales, mal funcionamiento o incidentes

Situaciones excepcionales, perturbaciones, mal funcionamiento o incluso incidentes peligrosos pueden ocurrir en la mayoría de los procesos químicos o bioquímicos.

Pueden causar daños a dispositivos técnicos, lesionar a miembros del personal, a personas que viven cerca de sitios industriales y dañar el medio ambiente.

Si bien las fallas temporales causan principalmente pérdidas económicas, las perturbaciones de la maquinaria o del sistema periférico combinadas con una operación defectuosa a menudo causan accidentes graves y, posteriormente, las correspondientes pérdidas económicas.

Con los simuladores de entrenamiento, el personal de la planta puede ser capacitado para hacer frente a tales perturbaciones y prevenir accidentes.

Manejo del sistema de control de procesos

Los sistemas de control de procesos suelen ser sistemas de software complejos, conectados a la planta industrial a través de dispositivos de entrada/salida. Incluyen funciones como monitoreo de datos en tanques de almacenamiento, visualización gráfica y numérica de variables de proceso, operación de actuadores como válvulas, bombas, compresores y agitadores, e invocación y administración de recetas.

En la estación de ingeniería del sistema de control de procesos, se pueden ajustar los parámetros del controlador, diseñar nuevas recetas y esquemas automáticos de control de secuencia, ajustar la representación gráfica de las variables de proceso a los requisitos actuales, y así sucesivamente. Incluso este breve resumen de funciones ilustra la complejidad del sistema de control y la necesidad de capacitación para el manejo del sistema de control de procesos.

La capacitación se puede realizar utilizando simuladores muy simples, simplemente cambiando las variables del proceso aleatoriamente.

Una alternativa es el uso de simuladores de entrenamiento en biorreactores en los que se modela el comportamiento real del proceso hasta cierto punto.

La ventaja de este último es el mayor realismo del sistema y la mayor relevancia de la capacitación.

Más información Aquí Propósitos de los Simuladores de Entrenamiento en biorreactores

Tipos de Simuladores para Entrenamiento en biorreactores.

Existen diversos tipos de simuladores para entrenamiento en biorreactores que pueden clasificarse según su área de aplicación o el objetivo de la capacitación.

Simuladores para Procesos "Estándar"

Debido a que muchos procesos de entrenamiento en biorreactores se presentan estructuras similares, se pueden desarrollar simuladores de entrenamiento complejos para estos procesos "estándar" de manera rentable. Una amplia variedad de tareas de aprendizaje —incluyendo el entrenamiento de la respuesta típica a perturbaciones o mal funcionamiento del proceso— pueden ser entrenadas utilizando procesos estándar. Ejemplos del uso de procesos estándar (por ejemplo, síntesis de metanol y polimerización) en simuladores de entrenamiento pueden encontrarse tanto en centros de entrenamiento internos de la compañía como en centros de entrenamiento para varias compañías.

El Centro de Entrenamiento PowerTec Essen, Alemania, opera diferentes simuladores de entrenamiento para plantas de energía, como un simulador de planta de energía de combustión fósil y un simulador de planta de turbina de gas de ciclo combinado (CCGT) con o sin extracción de calor. Dado que muchas plantas de energía son muy similares, diferentes compañías energéticas pueden entrenar a su personal en el Centro de Entrenamiento PowerTec. Se han implementado muchos detalles en los simuladores. Se pueden simular hasta 300 malfuncionamientos y se pueden cambiar más de 2000 valores de proceso.

El simulador de entrenamiento en el Europäisches Bildungswerk für Beruf und Gesellschaft, Alemania, ocupa una posición especial, ya que el programa de entrenamiento con este simulador se enfoca particularmente en pequeñas y medianas empresas de la industria química.

Simuladores Específicos de la Empresa (Simuladores a Medida)

Incluso procesos similares de entrenamiento en biorreactores en diferentes empresas exhiben diferencias en la configuración de la planta, el equipo utilizado, la tecnología del sistema de control y/o las sustancias específicas procesadas. Los simuladores que han sido adaptados especialmente a procesos muy específicos pueden ofrecer ventajas sobre los simuladores de procesos estándar, si los operarios deben ser entrenados en las características específicas del proceso y si se requiere la enseñanza de conocimientos y habilidades específicas.

Ejemplos de simuladores de entrenamiento, en los que se modelaron sistemas o subsistemas completos específicos de la empresa, han sido publicados por Leins et al., así como por Schaich y Friedrich. Con este tipo de simulador, se pueden simular procesos en los que se manejan 2 reactores, 9 columnas de separación y 18 sustancias. Los objetivos de entrenamiento de estos simuladores son ejercitar el arranque en frío y caliente o el apagado, el procesamiento de formulaciones y el entrenamiento en incidentes/malfuncionamientos.

Un elemento importante de los simuladores de entrenamiento en biorreactores específicos de la empresa es la posibilidad de operar el simulador utilizando un sistema de control de procesos ya existente. La principal ventaja de los simuladores específicos de la empresa es el entrenamiento altamente práctico y dirigido. Una desventaja clave de estos simuladores es el alto costo de creación del modelo. Sin embargo, varios autores asumen que este esfuerzo puede reducirse en el futuro mediante una mejor gestión de modelos corporativos o sistemas de gestión de modelos adecuados.

Automatización y Control de Procesos

Dado que los simuladores de entrenamiento son capaces de reproducir de manera bastante precisa el comportamiento dinámico de procesos industriales complejos, también pueden utilizarse para la formación de empleados en el campo de la medición y la tecnología de control. Utilizando procesos de ejemplo típicos de entrenamiento en biorreactores, como por ejemplo, un reactor agitado simulado, se puede practicar el análisis de sistemas de control o el ajuste de parámetros de control. Además, los simuladores de entrenamiento pueden utilizarse como una herramienta para la ingeniería de conceptos específicos de automatización de procesos y su prueba antes de la instalación, incluyendo pruebas de acciones de control secuenciales y pruebas de estructuras de control recientemente desarrolladas.

Simuladores de Entrenamiento de biorreactores en la Educación Académica

Además del uso de simuladores de entrenamiento en la industria de procesos, el potencial de los simuladores educativos y de entrenamiento se reconoce cada vez más en el contexto de la educación académica. Sin embargo, los objetivos de entrenamiento en el contexto de la educación superior difieren de los del entrenamiento dentro de la empresa. Por esta razón, los simuladores para la educación académica en colegios y universidades tienen una posición especial dentro del grupo de simuladores de entrenamiento.

Mientras que en la industria, un entrenamiento bastante especializado para manejar ciertos procesos (el "saber cómo") suele ser el objetivo principal, las universidades se centran en enseñar conocimientos fundamentales sobre las operaciones básicas de ingeniería de procesos (el "saber por qué"). Por lo tanto, en las universidades existen requisitos más bajos en términos de detalle (precisión de la dinámica del proceso, la imagen del proceso (panel de control, etc.)) en comparación con los simuladores de entrenamiento en biorreactores industriales. Sin embargo, en las universidades existe un fuerte requisito de que los procesos fundamentales subyacentes estén descritos correctamente con respecto al objetivo de enseñanza definido. La complejidad de los simuladores utilizados en las universidades varía considerablemente, desde simuladores basados en LabVIEW hasta los simuladores de entrenamiento basados en web más complejos.

En la educación superior parece haber un enfoque en simuladores de entrenamiento para el control y la automatización de procesos. Dado que el control es una disciplina bastante abstracta para muchos estudiantes de ingeniería, los simuladores de entrenamiento para la formación en los conceptos básicos de control también se desarrollan cada vez más, apoyando el aprendizaje orientado a la acción.

Más información relacionada Aquí Tipos de Simuladores para Entrenamiento en biorreactores.

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.

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