Síntesis y Análisis Síntesis y Análisis de los Bioprocesos:de los Bioprocesos:

Aplicación del principio de Aplicación del principio de Irrelevancia en el diseño Irrelevancia en el diseño

conceptual por Aproximación conceptual por Aproximación JerárquicaJerárquica

Definiciones BásicasDefiniciones Básicas

PROCESO: Sistema formado por equipos interconectados en forma organizada para transformar corrientes en productos (efluentes) de interés.

OPERACION UNITARIA: Etapa de un proceso, donde se

realiza una modificación especifica de alguna corriente (modificación física).

Diseño Conceptual de un Diseño Conceptual de un ProcesoProceso

Resultado de una actividad de Síntesis-Análisis para Definir la Transformación de Recursos e Insumos en Productos, operaciones y Procesos Productivos que Resuelven Necesidades humanas.

Naturaleza del Análisis y Naturaleza del Análisis y Síntesis de los Bioprocesos.Síntesis de los Bioprocesos.

Objetivo: Es el de generar riqueza.

Medio del diseñador: Consiste en la trasformación Bioquímica y/o separación de los materiales.

Tipo del proceso.

Síntesis del Proceso

Operaciones.

Conexiones.

Evaluación de alternativas.

(Reglas Heurísticas)

Naturaleza del Análisis y Naturaleza del Análisis y Síntesis de los Bioprocesos.Síntesis de los Bioprocesos.

Permite realizar metas programadas.

Reduce en lo posible , las INCERTIDUMBRES.

Análisis del Proceso Valora los Riesgos de un Proyecto

Presenta ventajas evidentes sobre otros Modelos

Los Problemas de Diseño tienen Diversas Soluciones

Baja Probabilidad de Éxito: Muchas Ideas ------> Pocas Resultan

Necesidad de elaborar métodos que permitan idear nuevos procesos o la optimización de un proceso ya existente.

Uno de los más Actuales en el diseño de Procesos, es el relacionado a la Aproximación Jerárquica siguiendo el principio de Irrelevancia.

Estas Aproximaciones se basan en reglas Heurísticas.

El diseñoEl diseño

HeurísticaHeurística Proviene de la palabra griega heuriskein que

significa encontrar o descubrir, de la cual se deriva eureka.

“Un método heurístico es un procedimiento para resolver un problema de optimización bien definido mediante una aproximación intuitiva, en la que la estructura del problema se utiliza de forma inteligente para obtener una buena solución.”

Medición de la calidad y Medición de la calidad y eficiencia de los métodos eficiencia de los métodos

heurísticosheurísticos

Comparación con la solución Comparación con la solución óptima, si se conoce o con la mejor óptima, si se conoce o con la mejor solución disponible.solución disponible.

Comparación con una cota.Comparación con una cota. Comparación con un método exacto Comparación con un método exacto

truncado.truncado. Comparación con los resultados de Comparación con los resultados de

otras heurísticas.otras heurísticas. Análisis del peor caso.Análisis del peor caso.

¿En qué casos se usa un ¿En qué casos se usa un método Heurístico ?método Heurístico ?

Actualmente las complejidades e incertidumbres en Sistemas Complejos son la razón principal de que se seleccione la simulación para tratar problemas de decisión.

Existen dos posibilidades:• Para generar una buena solución inicial.• Dada una solución inicial, el método

heurístico participa en un paso intermedio del procedimiento para tratar de mejorarla.

Modelos más Modelos más Importantes en el diseño Importantes en el diseño

conceptualconceptual

Diseño de Procesos por Aproximación Jerárquica, y el

"modelo cebolla“.

Aproximación JerárquicaAproximación Jerárquica y el principio de Irrelevanciay el principio de Irrelevancia

Cualquier fenómeno estructural, social, económico, etc. puede ser explicado por este Principio.

Método Ingenieril que permite dar solución a un problema de diseño de nuevos procesos, o la optimización de uno ya Existente.

Las interrelaciones entre las unidades de un proceso hacen imposible el enfoque individual de cada una de ellas.

Aproximación JerárquicaAproximación Jerárquica y el principio de Irrelevanciay el principio de Irrelevancia

Este planteamiento , reconoce que es posible organizar los Procesos en Niveles o estructuras que obedecen a una Jerarquía.

El procedimiento se inicia con soluciones simples, y luego se van adicionando aportes con mayores detalles.

Se identifican las reglas o leyes que rigen cada nivel de tal modo que definidas estas fronteras y sus interrelaciones, el Sistema o fenómeno se hace Irrelevante.

The “Onion Model”The “Onion Model”

Clasificación de las reglas heurísticas De Método ( M ) De Diseño ( D ) De Especie ( S ) De Composición ( C )

BiorreactorBiorreactor

La etapa de reacción es el corazón de un proceso químico de manufactura. En el reactor los materiales son juntados bajo condiciones que promueven la formación del producto deseado. También, según el proceso, se forman en esta etapa los subproductos, productos no deseados (impurezas) y permanece algo de material sin reaccionar.

Separación y Separación y ReciclajeReciclaje

Los reactores suelen tener una conversión limitada, lo que implica que en la corriente de salida del reactor habrá reactivos que no han reaccionado. Estos reactivos deben separarse del producto (para lo que se necesita un sistema de separación) , y si existe cantidad suficiente de reactivo no reaccionado, éste se deberá reciclar al reactor, por lo que se necesitará un reciclo en el proceso.

Los subproductos también pueden separarse de los productos en esta etapa.

Red de Intercambio de Red de Intercambio de calorcalor

El objetivo de ésta es realizar transferencias de calor y trabajo entre las mismas corrientes de la planta química con el fin de reducir el uso de servicios auxiliares. La síntesis óptima de este componente es crucial para establecer la eficiencia energética del sistema total.El alcance del objetivo depende de tres factores utilizados:

-Consumo mínimo de servicios auxiliares

-Número mínimo de intercambiadores de calor, con este factor se pretende disminuir indirectamente los costos de las inversión de la red

- Modificación de los puntos “pinch”, límite máximo de integración de calor que previene la violación de las leyes termodinámicas

Tecnología PinchTecnología PinchCuando en un bioproceso el consumo de utilitarios no se encuentra optimizado el calculo o la determinación de los consumos mínimos es principalmente vapor, combustible, agua de refrigeración y potencia eléctrica. Representa un "dolor de cabeza" para el ingeniero de diseño. La optimización energética PINCH (pinch point)  significa determinar la temperatura a la cual debería funcionar el bioproceso para no tener que generar calor en una fuente* y no tener necesidad de consumirlo a través de un sumidero.

En un diseño preliminar de la red de intercambio de calor, la Tecnología de Pinch permite obtener los valores mínimos para varios parámetros del proceso: - Cálculo de los servicios mínimos y nivel de dichos servicios, lo que proporciona los Costes de Operación. - Cálculo del número mínimo de unidades de intercambio de calor, y área de dichas unidades, lo que proporciona una estimación de los Costes de Inmovilizado.

Estos valores mínimos se pueden obtener sin realizar un diseño detallado de la topología de la red de intercambio, o de los cambiadores que la forman, sino únicamente a partir de los datos térmicos de las corrientes que constituyen el proceso.

Síntesis Síntesis EvolutivaEvolutiva

Esta técnica agrega detalles que van mejorando el desempeño de un modelo, haciendo uso de la síntesis y el análisis.Análisis, se calculan los productos si se conocen algunas condiciones en las entradas y en el proceso que se utilizaSíntesis, se conocen las condiciones de operación en las entradas y salidas, y lo que se debe concebir es el proceso necesario para efectuar la transformación.Hacer un análisis en un determinado proceso es mucho más sencillo que realizar la síntesis del mismo.

Aplicación de la Aplicación de la transmisión de transmisión de

calorcalorEn las operaciones de los biorreactores se suele utilizar principalmente dos procesos basados en la transmisión de calor:-Es la esterilización continua in situ del medio líquido-Es la del control de la temperatura durante la operación del reactor