Implementación de un NMPC en la simulación de un proceso de fermentación alcohólica usando Pyomo

Resumen

Para este trabajo, se realizó la simulación de un proceso fermentativo a partir de azúcares fermentables, considerando los balances de materia de las sustancias involucradas (sustrato, biomasa y producto) y el modelo de temperatura en la fermentación alcohólica. Estos modelos fueron modificados para reflejar la muerte celular del microorganismo por influencia de la temperatura y la respuesta del controlador al incremento de ésta. El sistema de ecuaciones resultante se resolvió utilizando el método de colocación ortogonal, incluido en la librería Pyomo, y el solver IPOPT en Python, logrando reproducir el comportamiento esperado en el proceso sin control, es decir, aumento de temperatura y una fase de muerte térmica. Una vez realizada la simulación, se implementó un controlador predictivo
basado en modelo no-lineal (NMPC por sus siglas en inglés) sobre la temperatura (T); para esto se modificaron de nuevo los modelos del proceso y se agregó la función costo al problema de optimización, logrando que el controlador mantuviera la variable dentro de los rangos establecidos (28°C < T < 32°C) y con valores cercanos al punto de ajuste (30°C). Esto permitió el crecimiento del microorganismo y la generación de producto, logrando una concentración final de etanol de 66.11 g/L.