Análisis del impacto económico de control predictivo basado en modelo económico en fotobiorreactores

Abstract

In this thesis it was proposed a formulation to evaluate the economic impact of the use of Economic Model Predictive Control (EMPC). For this, a model of a photobioreactor (PBR) was proposed by combining different phenomena within the reactor for the cultivation of microalgae such as: fluid dynamics, photosynthesis kinetics and mass balances. The proposed model has a new characteristic, it is the inclusion of an empirical equation which takes into account the performance of the Light - Dark cycles in a dynamic mathematical model for the predictions of productivity in the PBR. Besides of that, an economic optimization was proposed, which takes into account both the pumping energy of the system and the energy produced, by translating the productivity of biomass to energy, through some expressions proposed in this thesis, this expression combined with the model previously proposed is able to reach optimal regions for the PBR operation in accurate way. Finally, it was found that the economic impact of the use of economic control was positive for the system, due to the fact that its objective function and prediction model take into account not only the productivity of the system, but also the energy costs associated with pumping and mixing.

Abstract: En esta tesis se propuso una formulación para evaluar el impacto económico del uso del control predictivo basado en modelo económico (CPBME). Para ello, se propuso un modelo para un fotobiorreactor (FBR) combinando diferentes fenómenos dentro del reactor para el cultivo de microalgas tales como: dinámica de fluidos, cinética de fotosíntesis y balances de materia. El modelo propuesto tiene una nueva característica, esta es la inclusión de una ecuación empírica la cual toma en cuenta el desempeño de los ciclos luz – oscuridad en un modelo matemático de carácter dinámico para las predicciones de la producción en el FBR. De igual forma, se propone una optimización económica, en la cual se tiene en cuenta tanto la energía de bombeo del sistema, como la energía producida, al traducir la productividad de la biomasa a energía, por medio de algunas expresiones propuestas en esta tesis. Al combinar la optimización y el modelo propuesto es posible establecer de forma precisa regiones de funcionamiento óptimo para el sistema de FBR. Finalmente, se encontró que el impacto económico del uso de control económico fue positivo para el sistema, ya que a través de su función objetivo y modelo de predicción se tenía en cuenta no sólo la productividad del sistema, sino también los costos energéticos asociados con el bombeo, agitación y mezclado.