Control y monitorización de bioprocesos

Los procesos biotecnológicos comparten con la mayoría de los sistemas biológicos la necesidad de operar en condiciones específicas de pH, temperatura, concentración de sustrato y/o productos. Mantener las condiciones deseadas en el tiempo a pesar de la intervención de perturbaciones es el objetivo del control de bioprocesos en la industria, que tiene su contraparte en los sistemas biológicos en la homeostasis. En esta asignatura se analiza paralelamente, con una perspectiva eminentemente práctica, la dinámica de los bioprocesos industriales y ejemplos en microbiología y biomedicina. El simulador de procesos se utilizará para facilitar los experimentos informáticos y favorecer el aprendizaje inductivo, permitiendo así prescindir de gran parte del contenido matemático que caracteriza a los manuales de control de procesos. En concreto, esta asignatura pretende que los estudiantes sean capaces de:
- Resolver problemas básicos relacionados con el modelado y la dinámica de procesos.
- Identificar y modificar diversas estrategias de control en función del proceso considerado.
- Identificar y enumerar los diferentes elementos de control necesarios para el seguimiento de las variables básicas en los procesos biotecnológicos industriales.
- Distinguir los elementos básicos de la instrumentación.
- Conocer las técnicas actuales de monitorización de bioprocesos.

Los contenidos descritos en la memoria del título son: Dinámica de bioprocesos; Técnicas de control en bioprocesos. comentario Ejemplos de control en bioprocesos y biomedicina; Instrumentación: sensores y biosensores, transmisores y controladores; Monitorización de bioprocesos.

Estos contenidos se articulan en los siguientes temas:

Tema 1 - Introducción
Expone: La necesidad de control en procesos biotecnológicos y sistemas biológicos. Las dificultades de seguimiento inherentes a los procesos biológicos.
Clase de informática: Introducción a Matlab/Simulink para simulación dinámica
1h Exp + 1h Inf

Tema 2 - Comportamiento dinámico de los bioprocesos
Objetos expuestos: Representación de modelos dinámicos de procesos biológicos. Sistemas simples de estado estacionario y transitorio. Análisis de la respuesta dinámica a los cambios externos. demora Estabilidad y oscilaciones.
Seminario: Estudio matemático de respuestas dinámicas
Aula de informática: Simulación dinámica en Matlab/Simulink de diversos procesos biotecnológicos (producción de PHA, cultivo de S. cerevisiae, biorreactor de tratamiento de agua, sistemas anaeróbicos...) y sistemas biológicos (depredador/presa en biorreactor...)
5h Exp + 2h Sem + 4h Inf


Tema 3 - Técnicas de control de bioprocesos
Expositivo: Control en lazo abierto y en lazo cerrado. Retroalimentación y control anticipatorio (feedforward). Estrategias de control: on/off, proporcional e integral. Control en cascada. El problema del retraso en el control de los bioprocesos. sintonizado
Control en procesos biológicos: homeostasis. Análisis matemático de casos simples de regulación genética: el operón lac. El oscilador de Goodwin. La percepción del quórum.
Seminario: Métodos de sintonización de controladores.
Clase de informática: Aplicación de estrategias de control a los sistemas estudiados en el tema 2.
6h Exp + 2h Sem + 4h Inf

Tema 4 - Instrumentación general y bioprocesos
Expositivo: Principales componentes del sistema de control: sensores y actuadores (bombas y válvulas). Monitorización de la actividad biológica mediante métodos online, in-line, at-line y offline. Relación con el control de procesos.
Seminario: Discusión e interpretación de estrategias de monitoreo en diagramas P&ID; selección de elementos de instrumentación
2h Exp + 1h Sem + 1h Inf

Tema 5 - Monitorización de bioprocesos
Expositivas: La necesidad de monitorizar los bioprocesos; interpretación de datos de operación; sensores virtuales (soft sensors) técnicas de aprendizaje supervisadas y no supervisadas
Seminario: Comparación de técnicas de monitorización para diferentes casos de estudio
Clase de informática: Monitorización de un bioproceso in silico mediante técnicas de aprendizaje automático
4h Exp + 1h Sem + 1h Inf

Dado el carácter multidisciplinario de la materia, no se sigue un libro específico como texto principal. Se usarán los siguientes libros de texto, comentando en común algunos capítulos escogidos durante las clases expositivas.

Dochain, D. (ed.) 2008. Bioprocess control [en liña]. 1st ed. Hoboken: Wiley. Dispoñible en: https://onlinelibrary-wiley-com.ezbusc.usc.gal/doi/pdf/10.1002/97804706…

Gòdia, F. López, J. 2010. Ingeniería bioquímica [en liña]. Madrid: Síntesis. Dispoñible en: https://prelo.usc.es/Record/Xebook1-478

Ingalls, B. 2012. Mathematical modeling in systems biology: an introduction. Cambridge: The MIT Press

Huusom, J.K. 2016. Control of bioprocesses. In J. Villadsen, ed. Fundamental bioengineering [en liña]. Ch. 15. Dispoñible en:
https://onlinelibrary-wiley-com.ezbusc.usc.gal/doi/book/10.1002/9783527…

Larroche, C., Sanromán, M.Á., Du, G. Pandey, A. (ed.) 2016. Current developments in biotechnology and bioengineering. Bioprocesses, bioreactors and controls [en liña]. 1st ed. Amsterdam: Elsevier. Ch. 16-26. Dispoñible en:
https://www-sciencedirect-com.ezbusc.usc.gal/book/9780444636638/current…

Mandenius, C.-F. (2016). Multivariate Modeling for Bioreactor Monitoring and Control. In Bioreactors (pp. 1–1). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/9783527683369.ch13

Mandenius, C.-F. (2016). Soft Sensor Design for Bioreactor Monitoring and Control. In Bioreactors (pp. 1–1). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/9783527683369.ch14

Simpson, R. and Sastry, S.K. (2013) Chemical and Bioprocess Engineering. Springer

Sonnleitner, B. 2016. Real-time measurement and monitoring of bioprocesses. In J. Villadsen, ed. Fundamental bioengineering [en liña]. Ch. 14. Dispoñible en:
https://onlinelibrary-wiley-com.ezbusc.usc.gal/doi/book/10.1002/9783527…

Conocimientos/contenidos: Con01
Habilidades/destrezas:H/D01, H/D02, H/D05, H/D14
Competencias: Comp02, Comp03

La metodología de esta asignatura intenta prescindir de la mayor parte del contenido matemático que caracteriza la enseñanza del control de procesos y sistemas dinámicos. Más bien, intenta transmitir de una manera intuitiva y práctica cómo se comportan dinámicamente los sistemas biológicos y los bioprocesos industriales y cómo diseñar estrategias de control y seguimiento basadas en estas respuestas dinámicas. Además, se hace hincapié en la relevancia de la retroalimentación en los sistemas biológicos, estableciendo paralelismos con contenidos estudiados en otras materias de la carrera.

Las clases expositivas consistirán en lecciones magistrales combinadas con pequeños tests para fomentar la participación activa.

Las sesiones del seminario interactivo se centrarán en la realización de ejercicios por parte de los estudiantes para profundizar en los conceptos vistos en las sesiones expositivas.

Se utilizará el software Matlab/Simulink para la simulación dinámica de bioprocesos y sistemas biológicos seleccionados en las sesiones de aula de informática. Los modelos de simulación, implementados en Simulink, serán proporcionados por el docente para ser utilizados en la realización de experimentos virtuales, en el diseño y prueba de controladores y en la aplicación de estrategias de monitoreo. El software Matlab/Simulink se puede instalar libremente en ordenadores personales conectados a la red de la USC mediante el acceso a la licencia del campus.

La tutoría grupal estará dedicada a la visita a un sistema de monitorización y control de una instalación en el ámbito de la biotecnología.
La asistencia al aula de informática y a la visita técnica es obligatoria.

Se utilizará la aplicación Moodle (Campus Virtual) como herramienta de comunicación con el alumnado, ofreciendo información sobre el programa docente a lo largo del curso en el aula y materiales complementarios para el estudio de la materia (apuntes del profesor así como artículos científico-técnicos) y así fomentar el estudio autónomo del estudiante y el manejo de fuentes bibliográficas en inglés.

Las habilidades a conseguir con cada actividad son:
Expositivas - Con01, H/D01, H/D02, H/D14, Comp03, Comp02
Seminario interactivo - Con01, H/D01, H/D14
Clase de informática: Con01, H/D01, H/D02, H/D05, Comp02
Tutoría grupal - Con01, Comp03

La calificación del estudiante es la media ponderada del rendimiento obtenido en a) el examen 50%, b) el trabajo en equipo 25%, c) la entrega de ejercicios/trabajos en el aula de informática (20%) y d) el informe referente al grupo visita de tutoría (5%). El examen final es complementario a la evaluación continua, compuesto por los apartados b), c) y d).
Para tener en cuenta las puntuaciones obtenidas en los apartados b), c) y d) en la calificación final será necesario alcanzar una calificación mínima del 35% en el examen (teoría).

Un estudiante que no realizó el examen o el trabajo en equipo será considerado como No Presentado. En el caso de que no se supere la asignatura en la primera oportunidad, el estudiante será evaluado nuevamente en el apartado a) en la segunda oportunidad y se conservarán las calificaciones de los demás apartados. El estudiante que se examine en segunda oportunidad y no entregue el trabajo en equipo podrá entregar un trabajo individual sobre un tema similar indicado por el equipo docente.

Las notas de la evaluación continua (apartados b, c y d) no se guardarán de un curso a otro, por lo que el estudiante repetidor tendrá que volver a realizar las sesiones de tutoría grupal, trabajo en equipo y clases de ordenador.

En caso de realización fraudulenta de cualquier actividad evaluable, se aplicará lo establecido en la “Normativa para la evaluación del rendimiento académico de dos estudiantes y de revisión de calificaciones”.

Las competencias se evalúan en los siguientes apartados:
• Examen final: Con01, H/D01, H/D02, H/D14, Comp03, Comp02
• Trabajo en equipo: Con01, H/D01, H/D02, H/D05, Comp02
• Ejercicios y seminarios de clase de informática: Con01, H/D01, H/D14
• Informe de tutoría grupal: Con01, Comp03

La asignatura tiene una carga horaria equivalente a 4,5 ECTS que se distribuyen como se indica en la tabla. La carga horaria total es de 112,5 horas.

Distribución de la actividad formativa en jornada laboral
Clases expositivas - 18
Seminarios - 7
Sala de ordenadores - 12
Tutorías grupales - 1
Trabajo personal -72
Examen – 2.5
TOTAL 120

Se recomienda la asistencia y participación activa en el aula y hacer uso del Campus Virtual (entorno Moodle) para seguir el contenido de la materia y para facilitar la comunicación entre el profesor y los alumnos.

La materia será impartida en gallego, pero se usará bibliografía en inglés para la realización de trabajos
En caso de discrepancia entre las versiones de esta guía docente en diferentes lenguas, prevalecerá la versión en gallego.