Observer-based virtual sensors for microalgae cultures monitoring

• Vélez-Landa, Laura ^[1] ; Astorga-Zaragoza, Carlos Manuel ^[2] ; Hernández de-León, Héctor Ricardo ^[1] ; Osorio-Gordillo, Gloria Lilia ^[2] ; Bermúdez-Hernández, José Roberto ^[1]
  1. [1] Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez; Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México.
  2. [2] Tecnológico Nacional de México/Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico; Cuernavaca, Morelos, México.
• Localización: Renewable Energy, Biomass & Sustainability, ISSN-e 2683-2658, Vol. 1, Nº. 1, 2019, págs. 17-27
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Sensores virtuales basados en observadores para el monitoreo de cultivos de microalgas
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• Resumen
  • español

    En este artículo se presenta un diseño de observador no lineal para la estimación simultánea de parámetros y variables de estado. El caso de estudio son los cultivos de microalgas para la generación de biodiésel, donde las tasas de reacción, la concentración de biomasa, la cuota intracelular y la concentración de nitrógeno son variables críticas que proporcionan información sobre el estado del proceso. Sin embargo, estas variables pueden ser difíciles de medir debido a la falta de instrumentos específicos, al elevado costo de los sensores o a la inviabilidad de su instalación en el proceso. Por ello, en este artículo se presentan dos sensores virtuales basados en observadores como alternativa analítica para realizar la estimación de las principales variables o parámetros importantes del proceso: un observador no lineal adaptativo y un observador no lineal de alta ganancia. Los observadores se basan en el modelo matemático de Droop que describe la capacidad de las microalgas para almacenar nutrientes y el desacoplamiento entre la absorción de sustrato y el crecimiento de la biomasa. Se realizan simulaciones numéricas para evaluar el rendimiento de los observadores propuestos.

    Traducción realizada con la versión gratuita del traductor www.DeepL.com/Translator

  • English

    In this paper, a nonlinear observer design is presented for simultaneous parameter estimation and state variables estimation. The case of study is microalgae cultures for biodiesel generation, where reaction rates, biomass concentration, intracellular quota and nitrogen concentration are critical variables that provide information about the state of the process. However, these variables might be difficult to measure due to the lack of specific instruments, high sensor costs or infeasibility of installation in the process. Therefore, two observer-based virtual sensors are presented in this paper as an analytical alternative to perform estimation of the main important variables or parameters of the process: a nonlinear adaptive observer and a nonlinear high-gain observer. The observers are based on the Droop´s mathematical model that describes the ability of microalgae to store nutrients and the decoupling between substrate uptake and biomass growth. Numerical simulations are made in order to evaluate the performance of the proposed observers.