Resumen-This work focuses in the estimation of the specific production rate of intracellular products in fed-batch processes, for the case where high cell densities are present. Particularly, a new volume model is proposed for the high cell density case where a large amount of intracellular product is stored. Based on the model ant the on-line volume measurement, a high order sliding mode observer is proposed to estimate the specific production rate. The observer achieves finite time convergence and robustness against model disturbances and model uncertainty, while it does not require for a kinetic model of the production rate. The proposed algorithm is evaluated whith numerical simulations and experimentally.Index Terms-observador, modos deslizantes, alta concentración celular, estimación, volumen.
I. INTRODUCCIÓNLos bioprocesos de alta densidad celular presentan dos problemas particulares cuando se trata de su monitoreo y control, en primer lugar algunos de los sensores y métodos de medida en línea comunes en bioprocesos estándar no pueden ser utilizados fácilmente. Por ejemplo, la determinación en línea de la concentración de biomasa por densidadóptica es casi inservible por la opacidad del medio. Alternativamente se puede utilizar espectroscopía dieléctrica con buenos resultados[1], [2], sin embargo los sensores necesarios son costosos y no siempre están disponibles. Tampoco es fácil determinar las concentraciones de fuente de carbono o nitrógeno debido a que en general se busca utilizar como sustrato residuos provenientes de la industria y agricultura, por lo tanto hay muchas impurezas presentes y las fuentes no están completamente definidas. Una medida con potencial utilidad es la del volumen del contenido del biorreactor ya que los sensores de nivel son comunes a nivel industrial. Su aplicación a procesos de alta densidad celular podría ser restringida en casos con producción de espuma excesiva, sin embargo existen tecnologías para abordar ese problema, como los sensores basados en radar, servomecanismos con capacidad de detectar fases con diferentes densidades (Honeywell Enraf R por ejemplo), sensores capacitivos y de conductividad u otros. El segundo problema es la escasez de modelos específicos, en particular de la dinámica de volumen del biorreactor. La gran cantidad de células, el elevado consumo de sustrato y generación de productos sumado a la alimentación de medios concentrados hacen que el volumen no se pueda obtener simplemente de la integración de caudales.Muchos de los procesos de alta densidad están asociados a la generación de productos de alto valor agregado a partir de residuos industriales y agrícolas. Tal es el caso de los procesos para producir el polímero biodegradable Polyhydroxybutyrato (PHB) mediante Cupriavidus necator [3] o la producción de lípidos para la industria del biodiesel mediante Rhodosporidium toruloides [4]. En este tipo de procesos es importante disponer de información de la velocidad a la que se está generando el producto deseado ya que es indicadora del rendimiento de...