Líneas de investigación que se realizan sobre el área de Simulación

1.- Process System Engineering

El campo de la Ingeniería de Sistemas de Proceso trata de utilizar un enfoque

sistémico, y con toma de decisiones basadas en modelos y herramientas

matemáticas, en problemas de modelado, diseño, control y optimización en la industria

de procesos. Dentro del mismo, el grupo de investigación trabaja en los siguientes

temas, muchos de los cuales están interrelacionados.

Simulación dinámica de procesos

El objetivo de estas actividades es la construcción de modelos, entornos de

simulación y simuladores que permitan disponer de un entorno realista de emulación

de diferentes procesos para su uso en diversos ámbitos. Estos comprenden

simuladores de sala de control para entrenamiento de personal, en particular de

factorías azucareras completas, simuladores de procesos petroquímicos para

predicción y soporte de sistemas de control y optimización y para enseñanza,

simuladores de plantas desaladoras, sistemas eléctricos con fuentes de energía

renovables, etc. Los modelos están basados fundamentalmente en leyes físico-

químicas y los estudios involucran también problemas multi-escala, métodos de

identificación de parámetros y validación de dichos modelos, así como el desarrollo de

librerías en el entorno del lenguaje EcosimPro.

Monitorización de procesos

En este punto, se trata de estimar el estado de un proceso a partir de medidas

parciales o imprecisas del mismo en funcionamiento normal, utilizando una

combinación de valores medidos, modelos, indicadores y algoritmos de cálculo.

Ejemplos típicos están ligados al estudio y aplicación de métodos de reconciliación de

datos y estimación de variables no medidas en sistemas de gran escala como fábricas

azucareras o redes de distribución de hidrógeno en refinerías de petróleo. Otro campo

de estudio comprende los métodos de supervisión automática de controladores para

seleccionar aquellos que necesitan resintonía.

Diseño Integrado del proceso y su sistema de control.

Esta línea de trabajo va orientada al desarrollo de métodos para el diseño conjunto de

un proceso y su sistema de control garantizando simultáneamente el cumplimiento de

sus especificaciones de operación y unas determinadas características dinámicas

minimizando un cierto índice de coste económico. Los estudios consideran los casos

de uso de superestructuras e incertidumbre en la operación, así como el desarrollo de

entornos de cálculo.

Sistemas complejos de gran escala.

Esta línea de trabajo comprende actividades de control y optimización de procesos

complejos, tanto por su dimensión como por la incertidumbre asociada a su operación.

Normalmente se usa un enfoque jerárquico y se busca plantear un problema integrado

de optimización económica en un marco de control predictivo del proceso con

consideración explícita de la incertidumbre en la toma de decisiones. Campos de

aplicación incluyen la gestión óptima del vapor en factorías azucareras, la gestión

optima de la energía en sistemas combinados de producción de agua potable y

electricidad con energías renovables y plantas desaladoras, la gestión óptima de las

redes de hidrógeno o de plantas HDS en refinerías de petróleo y el control

multivariable de una red de distribución de oxígeno.

Control predictivo e híbrido.

El control predictivo utiliza un modelo interno del proceso para predecir su

comportamiento futuro y permitir la selección de las acciones que optimizan dicho

comportamiento. Junto a la consideración de no-linealidades, restricciones,

factibilidad, estabilidad, etc., en este contexto, esta línea de trabajo incorpora el control

de sistemas híbridos. Muchos procesos reales involucran no solo variables o sistemas

que evolucionan continuamente en el tiempo, si no también decisiones discretas,

restricciones lógicas, operaciones por lotes, etc., que dan un carácter híbrido a los

sistemas de proceso. En este punto se han formulado soluciones al control y

optimización de dichos procesos y se pretende desarrollar métodos eficientes que

permitan resolver estos problemas en tiempo real en el contexto de control predictivo.

En particular, se estudian soluciones para transformar los problemas MIDO en NLP y

se aplican a una amplia gama de procesos, entre los que se encuentran sistemas

mixtos continuos y batch, o el control de temperatura criogénica del LHC en el CERN.

Optimización dinámica.

Esta línea de trabajo está asociada al desarrollo de herramientas para optimización

dinámica de procesos, asociadas al entorno de simulación EcosimPro. Se busca la

integración eficiente de métodos de optimización en EcosimPro, en particular mixta-

entera, que permitan abordar la resolución de problemas de control y optimización y la

generación de código para la implementación en tiempo real de las soluciones

obtenidas en el marco de sistemas SCADA.

Control, planificación de experimentos y optimización de procesos biotecnológicos.

Esta línea de actividad se relaciona con el desarrollo de algoritmos para optimización y

control de reactores biológicos usando modelos eficientes. Combina aspectos de

desarrollo de modelos con el nivel de detalle apropiado para el uso esperado (control

u optimización), con enfoques específicos para el tratamiento de la incertidumbre

asociada y diseño óptimo de experimentos. Se evalúan los modelos realizando un

análisis de su sensibilidad. El objetivo de este análisis es determinar el grado de

respuesta (sensibilidad) del comportamiento del modelo a cambios en algunos de sus

componentes. Para cuantificar la importancia de los parámetros y sus interacciones

con la salida del modelo se quieren utilizar y comparar distintos métodos de análisis

de sensibilidad global que servirá como paso previo al diseño de experimentos

óptimos. Para la optimización dinámica usando modelos se aborda la problemática de

una optimización iterativa de la política de operación a partir de una secuencia de

experimentos que permiten una reducción sistemática de la incertidumbre de los

modelos empleados por medio de un programa óptimo de muestreos en cada

experimento y discriminación de modelos alternativos. También se investiga una

adecuada integración de modelos cibernéticos de reactores biológicos en el control

predictivo y la optimización dinámica para el desarrollo de nuevas metodologías de

operación de biorreactores.

Sistemas de parámetros distribuidos.

Muchos sistemas reales están descritos por ecuaciones en derivadas parciales, tanto

por su distribución espacial como por involucrar balances de población y su control

presenta retos especiales por la dimensionalidad de los mismos. En este campo se

estudian problemas que abarcan desde el modelado, y en particular la reducción de

modelos con técnicas como POD, hasta el control y optimización en sistemas de

cristalización, de filtrado con membranas, de reactores de placas, o fabricación de

helados.

2.- Ingeniería de Procesos.

En el Área de Procesos de aplicación industrial se incardinan trabajos orientados al

diseño de producto, fundamentalmente en industria agroalimentaria, a la optimización

de etapas de proceso (reacción y separación) o al análisis de viabilidad tecnológica,

con un claro referente en las industrias azucareras y de cereal. Dentro de este campo,

adquiere especial relevancia el estudio de alternativas que permitan la valorización y

aprovechamiento de subproductos/residuos. Por un lado, se trabaja en la

transformación de subproductos en productos de alto valor, pudiendo reseñarse la

obtención de bioproductos (concepto de biorefinería), o el incremento en el valor

nutricional de co-productos procedentes de la industria alimentaria. Por otra parte, se

estudian tratamientos específicos de residuos y efluentes industriales que permitan la

reutilización de estas corrientes en proceso.

Pueden significarse dentro de esta Área la transformación de co-productos de

industrias de cereales en componentes con mayor contenido proteico o en

carbohidratos de fácil metabolización o el diseño de plantas para recuperación de

disolventes o procesos de tratamiento con tecnologías de oxidación avanzada o

tratamientos específicos que permitan la reutilización de aguas de proceso.

3.- Automatización Industrial y Robótica

En este campo se trata de estudiar los sistemas de automatización industrial con

todos los elementos que conllevan, como pueden ser PLCs (controladores lógicos

programables), autómatas finitos, robots, etc. Se pretende trabajar desde el punto de

vista teórico, como son los lenguajes formales para describir los sistemas de

fabricación desde el punto de vista de un autómata finito, con estados y acciones. O

desde un punto de vista más práctico, estudiando problemas de la robótica, como

generación de trayectorias para evitar obstáculos, estudio del trabajo con sistemas

multirrobot, robótica móvil, sistemas de control de robots abiertos, etc.

4. – Procesos de alta presión

Desarrollo del proceso de oxidación en agua supercrítica para el tratamiento de aguas residuales industriales.

El proceso de oxidación en agua supercrítica se basa en la reacción homogénea

entre los compuestos orgánicos no polares y el oxigeno, realizada a temperatura y

presión superiores al punto crítico del agua, (374ºC, 22MPa). Es un proceso que no

presenta limitaciones medio ambientales. El objetivo del esta línea es aportar

solucione técnicas al desarrollo de reactores que minimicen el coste del reactor y

permitan la recuperación energética del efluente. Concretamente estamos

investigando en: 1) Propuesta de nuevos diseños de reactores para tratar residuos

específicos. 2) Diseño y construcción de prototipos. 3) Estudio experimental de la

influencia de las condiciones de operación a escala piloto y a escala demostración. 4)

Modelado usando modelos de flujos simples y herramientas CFD. 5) Optimización del

proceso, integración energética.

Formulación de compuestos naturales.

La correcta formulación de un compuesto natural permite aumentar sus aplicaciones y

su valor añadido. El objetivo de esta línea es desarrollar procesos y productos de

formulación de compuestos naturales mediante tecnologías limpias basadas en la

utilización de fluidos supercríticos. Los procesos que se están estudiados son

micronización de partículas utilizando CO2 como antidisolvente, proceso SAS,

utilizando el CO2 como disolvente, proceso RESS, o como soluto procesos PGSS.

Procesos de coprecipitación de un polímero con un compuesto activo mediante la

utilización de fluidos presurizados. Micronización y encapsulación en medio acuoso

mediante la formación y secado de emulsiones. Separación de enantiomeros. Control

del polimorfismo de compuestos activos. Los productos que se están desarrollando

son formulaciones de carotenoides para aditivos de industria alimentaría.

Formulaciones de aceites esenciales para su uso como biocida en agricultura y

ganadería. Formulación de antioxidantes del té verde.

Impregnación supercrítica

La impregnación supercrítica, basada en la utilización del CO2-SC como disolvente

alternativo frente a los líquidos convencionales, se presenta como un método de

interés científico y comercial, adecuado para la protección de la madera y mejora de

sus características finales (resistencia, protección contra la humedad o el desgaste,

poder ignífugo), viable técnica y medioambientalmente, y con importantes ventajas

frente a los procesos de tratamiento convencionales, entre las que se cuentan una

mejor distribución de la sustancia impregnante a lo largo de la estructura de la

madera, asociado a las buenas propiedades para la transferencia de materia del CO2-

SC (alta difusividad, baja tensión superficial y baja viscosidad), y el empleo de un

disolvente inocuo que no deja residuos en la matriz impregnada. Esta nueva técnica

de protección, objetivo básico de esta línea de investigación, permite aumentar la vida

útil de la madera, mejorar las características de acabado final de la misma y reducir el

volumen y la naturaleza tóxica de los efluentes generados con la consecuente ventaja

medioambiental.

Síntesis de materiales nanostructurados en medio supercrítico.

En esta línea de investigación se utiliza el CO2 supercrítico como medio de reacción

para obtener materiales inorgánicos a escala nanométrica y micrométrica: óxidos

inorgánicos, metales y materiales composite cerámico/metal. Se obtienen polvos,

láminas finas y materiales nanostructurados. Los campos de aplicación de estos

materiales son muy diversos y de gran interés como son: catálisis, electrónica,

aplicaciones biomédicas y ópticas, aerospaciales.

5.- Comunicaciones Industriales.

Un campo fundamental en los sistemas de control industrial son las comunicaciones.

En esta línea se pretende estudiar y trabajar con sistemas de comunicación industrial

que ya están comercializándose, pero que al mismo tiempo están cambiando y

estudiando nuevas funcionalidades que se le quieren incluir a los distintos sistemas de

comunicación. Hay que estudiar y resolver como es la comunicación entre los

elementos tan diversos y el software tan distinto que existe a nivel industrial.

6.- Obtención de alimentos funcionales

Los “Alimentos Funcionales” son alimentos o componentes en la dieta que pueden

aportar un beneficio para la salud más allá de la nutrición básica. En concreto, el

interés comercial de los betaglucanos, obtenidos mediante un proceso de extracción a

partir de cereales (cebada, avena, etc.), está determinado por sus aplicaciones

asociadas a sus propiedades terapéuticas como son la implicación en los procesos de

regulación de los niveles de glucosa y colesterol en sangre, y la mejora tanto de la

digestión de las grasas como del tránsito intestinal. Estas propiedades hacen que

estos productos sean cada vez más atractivos en el contexto de la sociedad actual.

Esta línea de investigación pretende optimizar el proceso convencional de extracción

de beta-glucanos a partir de cereales, gracias a la obtención de un extracto

enriquecido en beta-glucanos y almidón, que por sus propiedades terapéuticas se

pueda emplear como aditivo en la industria de cereales y derivados (panificación,

galletería, pastas alimenticias), industria farmacéutica y cosmética.

7.- Sistemas Inteligentes

Los sistemas inteligentes abarcan un conocimiento de evidente aplicación a infinidad

de campos de la ingeniería, y en particular a los distintos aspectos que abarca la

ingeniería de sistemas y automática. Mediante el estudio, desarrollo y aplicación de

técnicas de soft computing e inteligencia computacional se busca nuevas líneas de

investigación aplicada que aporten soluciones innovadoras en control, modelado, FDI,

reconocimiento de patrones etc... que a su vez tengan un marcado carácter práctico y

de aplicación al mundo industrial dadas las características de estas técnicas que

permiten utilizar y obtener provecho de la información disponible sobre el problema

mediante extracción y modelado del conocimiento y la experiencia.

8.- Ingeniería Verde y Química Verde

La Ingeniería Verde y la Química Verde es el resultado de la transformación de las

disciplinas de la Ingeniería Química y la Química tradicionales enfocadas a la

promoción del desarrollo sostenible de los productos, procesos y sistemas. Se definen

e investigan los siguientes campos dentro de la Ingeniería Verde: 1) Criterios de

sostenibilidad, 2) Bases de la Química e Ingeniería Verdes, 3) Herramientas para el

diseño creativo de productos, procesos y sistemas de producción, 4) Reacciones de

síntesis utilizando disolventes alternativos, 5) Reacciones de despolimerización de

polímeros.

9.- Procesos de separación

En esta línea de investigación se trabaja fundamentalmente en procesos de cristalización via drowning-out y en procesos de adsorción y transporte de solutos en suelos. Se estudian las variables que influyen en los procesos con objeto de buscar condiciones óptimas que favorezcan los procesos.

10.- Sistemas Tolerantes a Fallos

Esta es una línea de investigación de total actualidad en la que se encuentran

trabajando varios de los investigadores del grupo. En ella se estudia y se desarrollan

métodos de Detección y Diagnóstico de Fallos, con los que se trata de detectar e

identificar cualquier cambio o malfunción de un proceso que le lleve fuera de su rango

normal de operación, es decir estos fallos pueden deberse a cambios en el sistema o

a fallos reales en los elementos de proceso, como los sensores, actuadores o la

propia planta. Un punto adicional consiste en la reconfiguración de los controlador o

en el re-diseño de controladores que hagan al sistema funcionar adecuadamente a

pesar de la presencia del fallo. A estos sistemas se les conoce como sistemas de

control tolerantes a fallos, que aseguren como mínimo la estabilidad y un

comportamiento adecuado aunque degradado del proceso. Es por tanto un tema de

gran actualidad e interés para la industria de procesos.

11.- Tecnología Ambiental

Es una línea de investigación en la que se tiene mucha experiencia, dado que se lleva

trabajando mucho tiempo y se han realizado numerosas colaboraciones tanto con

grupos nacionales como extranjeros. En esta línea de investigación se profundiza en

el estudio de distintos procesos de tratamiento tanto de residuos sólidos como líquidos

mediante tratamientos biológicos o mediante tratamientos de oxidación química. Se

dispone de distintas plantas de tratamiento tanto a escala de laboratorio como a

escala piloto industrial en las que se llevan a acabo los distintos tratamientos

biológicos y en las que se estudian las variables fundamentales de los respectivos

procesos.

12.- Visión Artificial

En esta línea de investigación se lleva trabajando una serie de años, y se trata de

estudiar y desarrollar técnicas de visión por computador, útiles en muchos campos,

por ejemplo en los sistemas multirrobot, en los sistemas de depuración de aguas,

algunas fases de los sistemas de control o también como elementos adicionales para

los sistemas robóticos de pintura, pulido, etc. En este tema se pretende trabajar en

técnicas de visión que den profundidad a la imagen, en visión en tres dimensiones, en

visión del color, etc.

13.- Herramientas de Sostenibilidad en Ingeniería de Procesos

En esta línea se desarrollan y definen fórmulas de aplicación de herramientas que

permitan cuantificar la sostenibilidad de diferentes procesos industriales, enmarcados

en el área de la Ingeniería de Procesos. Atendiendo a criterios ambientales,

económicos y sociales se diseñan herramientas específicas para cada tipo de sector

productivo, que permiten comparar empresas entre si o seguir la evolución temporal

de una empresa determinada.

14.- Dinámica de Sistemas Complejos

Esta línea de investigación aplica las técnicas de modelado y análisis de sistemas de

control adaptadas a sistemas complejos no necesariamente tecnológicos, como son

sistemas socio-económicos y sistemas medioambientales. El objetivo es desarrollar

modelos adecuados que permitan, en primer lugar comprender la dinámica de los

sistemas incluyendo los fenómenos de realimentación, y posteriormente ayudar a

tomar decisiones sobre los mismos actuando sobre las variables controlables. Estos

sistemas son casi siempre no lineales, presentan retardos y su modelado y análisis

está sujeto a incertidumbres mayores en general que otros sistemas técnicos. Esta

línea de investigación es muldisciplinar y con frecuencia participan investigadores del

ámbito de la economía, la sociología o las ciencias ambientales.

15.- Extracción por microondas

Se estudia la extracción de compuestos de productos naturales mediante la aplicación

de radiación microondas. El uso de esta tecnología reduce los tiempos de operación y

el consumo energético asociado al proceso, favoreciendo la liberación de los

productos de la matriz sólida en la que se encuentran alojados. Se estudia tanto la

simulación teórica del proceso que tiene lugar en el campo electromagnético como el

comportamiento experimental, para lo que se dispone de equipo de operación en

continuo.

16.- Estructuras Inteligentes, Estructuras Innovadoras (EIEI)

Esta línea de reciente creación se centra en la aplicación de las técnicas de la

Ingeniería de Sistemas al campo de la Ingeniería Civil con vistas a la mejora y

conservación de las infraestructuras, estructuras civiles esbeltas (p.e. edificios,

puentes, pasarelas peatonales, viaductos, infraestructura ferroviaria, diques, presas,

aerogeneradores, chimeneas) que por su uso diario o condiciones ambientales

desfavorables (viento, lluvias finas,) se ven afectadas llegando a niveles que pueden

ser perjudiciales para ellas mismas o afectando al confort de los usuarios. Para ello es

necesario: estudio de ellas mismas en base a la documentación de diseño o modelos

obtenidos in situ; diseño del sistema de sensorización más adecuado; envío/registro

de datos; tratamiento de los datos con vistas al diagnóstico y generación de

actuaciones necesarias. Las actuaciones necesarias servirán para facilitar la

conservación de las infraestructuras, así como para la consideración del diseño de

mecanismos adicionales de protección a incorporar a la estructura.

17.- Procesos Biotecnológicos

En esta línea de investigación se estudian y desarrollan procesos de obtención de

productos de elevado interés mediante la utilización de cultivos de microorganismos

puros o mediante la utilización directa de enzimas. Se estudian las variables que

influyen en los rendimientos de obtención así como los tipos de reactores más

adecuados para cada proceso.

18.- Biocombustibles/Bioingeniería

En el Área de Biocombustibles la investigación engloba la producción de

biocombustibles en diferentes estados de agregación, a partir de materia prima de

origen agrícola o forestal. Destaca la actuación en la producción de bioetanol de

segunda generación, abordando aspectos clave que inciden en la viabilidad

económica del proceso como son las etapas de pretratamiento, sacarificación

mediante hidrólisis enzimática y ácida y fermentación con diferentes cepas de

microorganismos en función de los monosacáridos generados. Respecto de

combustibles sólidos, la investigación se centra en el desarrollo de tecnología

implicada en la gasificación o pirólisis de la biomasa, pelletización y aprovechamiento

energético de la combustión.

19.- Bounding Observers

Se estudia el diseño de observadores que garantizan cotas sobre los estados. Para

ello, se utiliza un par de estimadores desarrollados utilizando técnicas de sistemas

positivos, que garantizan límites superiores e inferiores sobre los estados, utilizando

las medidas disponibles e información sobre el ruido esperado y las incertidumbres del

sistema. Las técnicas en desarrollo tienen aplicación inmediata en sistemas

biológicos.