Control e monitorización de bioprocesos

Os procesos biotecnolóxicos comparten coa maioría de sistemas biolóxicos a necesidade de operar en condicións determinadas de pH, temperatura, concentración de substrato e/ou produtos. Manter as condicións desexadas no tempo malia a intervención de perturbacións é o obxectivo do control de bioprocesos na industria, que ten a súa contrapartida nos sistema biolóxicos na homeostase. Nesta materia trátanse de forma paralela a dinámica dos bioprocesos industriais e exemplos en microbioloxía e biomedicina cunha perspectiva eminentemente práctica. Usarase o simulador de procesos para facilitar a realización de experimentos en ordenador e promover a aprendizaxe indutiva, permitindo así prescindir dunha boa parte dos contidos matemáticos que caracterizan os manuais de control de procesos. Concretamente, esta materia ten como obxectivo que o alumnado sexa capaz de:
- Resolver problemas básicos relacionados co modelado e dinámica de procesos
- Identificar e modificar diversas estratexias de control en función do proceso considerado.
- Identificar e enumerar os diferentes elementos de control necesarios para monitorizar as variables básicas nos procesos biotecnolóxicos industriais.
- Distinguir os elementos básicos de instrumentación
- Coñecer as técnicas actuais de monitorización de bioprocesos

Os contidos descritos na memoria do título son: Dinámica de bioprocesos; Técnicas de control en bioprocesos. Feedback. Exemplos de control en bioprocesos e biomedicina; Instrumentación: sensores e biosensores, transmisores e controladores; Monitorización de bioprocesos

Estes contidos se articulan nos seguintes temas:

Tema 1 - Introdución
Expositivas: A necesidade do control nos procesos biotecnolóxicos e nos sistemas biolóxicos. As dificultades de monitorización inherentes aos procesos biolóxicos.
Aula de informática: Introdución a Matlab/Simulink para a simulación dinámica
1h Exp + 1h Inf

Tema 2 - Comportamento dinámico dos bioprocesos
Expositivas: Representación de modelos dinámicos dos procesos biolóxicos. Sistemas simples en estado estacionario e transitorio. Análise da resposta dinámica a cambios externos. Retardo. Estabilidade e oscilacións.
Seminario: Estudo matemático das respostas dinámicas
Aula de informática: Simulación dinámica en Matlab/Simulink de diversos procesos biotecnolóxicos (produción de PHA, cultivo de S. cerevisiae, biorreactor de tratamento de augas, sistemas anaerobios..) e sistemas biolóxicos (predador/presa en biorreactor...)
5h Exp + 2h Sem + 4h Inf

Tema 3 - Técnicas de control de bioprocesos
Expositivas: Control en lazo aberto e lazo pechado. Retroalimentación (feedback) e control anticipativo (feedforward). Estratexias de control: on/off, proporcional e integral. Control en cascada. O problema do retardo no control de bioprocesos. Sintonizado.
Control nos procesos biolóxicos: homeostase. Análise matemática de casos simples de regulación xénica: o operón lac. O oscilador de Goodwin. A percepción de cuórum.
Seminario: Métodos de sintonizado de controladores.
Aula de informática: Aplicación de estratexias de control a sistemas estudados no tema 2.
6h Exp + 2h Sem + 4h Inf

Tema 4 - Instrumentación xeral e de bioprocesos
Expositivas: Compoñentes principais do sistema de control: sensores e actuadores (bombas e válvulas). Monitorización da actividade biolóxica mediante métodos online, in-line, at-line e offline. Relación co control de procesos.
Seminario: Discusión e interpretación de estratexias de monitorización en diagramas P&ID; selección de elementos de instrumentación
2h Exp + 2h Sem + 1h Inf

Tema 5 - Monitorización de bioprocesos
Expositivas: A necesidade de monitorizar os bioprocesos; interpretación de datos de operación; sensores virtuais (soft sensors) técnicas de aprendizaxe supervisada e non supervisada
Seminario: Comparación de técnicas de monitorización para diferentes casos de estudo
Aula de informática: Monitorización dun bioproceso in silico mediante técnicas de aprendizaxe máquina
4h Exp + 1h Sem + 2h Inf

Dado o carácter multidisciplinar da materia, non hai un libro específico que se siga como texto principal da materia. Usaránse os seguintes libros de texto, comentando en común capítulos escollidos durante as 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…

Coñecementos/contidos: Con01
Habilidades/destrezas: H/D01, H/D02, H/D05, H/D14
Competencias: Comp02, Comp03

A metodoloxía desta materia trata de prescindir da maior parte dos contidos matemáticos que caracterizan o ensino de control de procesos e sistemas dinámicos. Procúrase, en cambio, transmitir dun xeito intuitivo e práctico como se comportan dinamicamente os sistemas biolóxicos e os bioprocesos industriais e como, a partir destas respostas dinámicas deseñar as estratexias de control e monitorización. Ademais, faise énfase na relevancia do feedback nos sistemas biolóxicos, establecendo paralelismos con contidos estudados noutras materias do grao.

As clases expositivas consistirán en clases maxistrais combinadas con pequenos tests para favorecer a participación activa.

As sesións interactivas de seminario centraranse na realización de exercicios por parte dos alumnos para profundar nos conceptos vistos nas sesións expositivas.

Nas sesións en aula de informática usarase o software Matlab/Simulink para a simulación dinámica de bioprocesos e sistemas biolóxicos escollidos. Os modelos de simulación, implementados en Simulink, serán proporcionados polo profesor para seren usados na realización de experimentos virtuais, no deseño e test de controladores e na aplicación de estratexias de monitorización. O software Matlab/Simulink pode ser instalado libremente nos ordenadores persoais conectados á rede USC mediante acceso á licencia campus.

A titoría de grupo será dedicada á visita do sistema de monitorización e control dunha instalación do campo da biotecnoloxía.
A asistencia á aula de informática e á visita técnica é obrigatoria.

Utilizarase a aplicación Moodle (Campus Virtual), como ferramenta de comunicación cos alumnos ofrecendo información da programación docente ao longo do curso na aula e materiais complementarios para o estudo da materia (apuntamentos do profesor así como artigos científico-técnicos) fomentando o estudo autónomo do estudante e o manexo de fontes bibliográficas en inglés.

As competencias a alcanzar con cada actividade son:
Expositiva - Con01, H/D01, H/D02, H/D14, Comp03, Comp02
Interactiva de seminario - Con01, H/D01, H/D14
Aula de informática - Con01, H/D01, H/D02, H/D05, Comp02
Titoría grupal - Con01, Comp03

A cualificación do estudante é unha media ponderada do rendemento obtido en a) o exame 50%, b) o traballo en equipo 25%, c) a entrega de exercicios/traballos na aula de informática (20%) e d) o informe referido á visita da titoría grupal (5%). O exame final é complementario á avaliación continua, formada polos apartados b), c) e d).
Para ter en conta as puntuacións obtidas nos apartados b), c) e d) na cualificación final, será necesario alcanzar unha cualificación mínima do 35% no exame (teoría).

Considerarase como Non Presentado aquel alumno que non realizase o exame nin o traballo en equipo. No caso de non superar a materia na primeira oportunidade, o estudante será novamente avaliado do apartado a) na segunda oportunidade e manteríanselle as notas dos demais apartados. O alumno que se examine na segunda oportunidade e non entregase o traballo en equipo poderá entregar un traballo individual de temática similar indicado polo equipo docente.

Non se manterán as notas da avaliación continua (apartados b, c e d) dun curso para outro polo que o alumno repetidor terá que volver realizar a titoría grupal o traballo en equipo e as sesións de aula de informática.

En caso de realización fraudulenta de calquera actividade avaliable, será de aplicación o establecido na “Normativa de avaliación do rendemento académico dous estudantes e de revisión dás cualificacións”

As competencias son avaliadas nos seguintes apartados:

• Exame final: Con01, H/D01, H/D02, H/D14, Comp03, Comp02
• Traballo en equipo: Con01, H/D01, H/D02, H/D05, Comp02
• Exercicios aula de informática e seminarios: Con01, H/D01, H/D14
• Informe titoría grupal: Con01, Comp03

A materia ten unha carga de traballo equivalente a 4,5 ECTS que se reparten da forma que se sinala na táboa. A carga total de traballo é de 112,5 horas.

Distribución da actividade formativa en horas de traballo
Clases expositivas - 18
Seminarios - 7
Aula de informática - 12
Titorías grupo - 1
Traballo persoal -72
Exame – 2,5
TOTAL 120

Recoméndase a asistencia e participación activa na aula e facer uso do Campus Virtual (entorno Moodle) para seguir o contido da materia e para facilitar a comunicación entre o profesor e os alumnos.

A materia será impartida en galego, pero usarase bibliografía en inglés para a realización de traballos.