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Instituto Politécnico Nacional
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología
Laboratorio de Biorreactores
Practica No. 2 “Instrumentación para el seguimiento y control de la biorreacción”
Equipo 3:
Flores Avilés Irving
Fonseca Elizondo Héctor Hugo
Martínez Cordova Luis Yair
Martínez Gómez Roberto
Monroy Cañedo Sara Elena
Neri Barrera Ana Perla
Olvera Millan Erika
Silva Estrada Tania
Villalobos Santana Maribel Soledad
3BM2Agosto 2010. MÉXICO, D. F.
Índice general
Objetivo.................................................................................................................................1
Introducción..........................................................................................................................1
Sistema de control de espuma..........................................................................................4
Sistema de control de pH..................................................................................................6
Medicion de oxigeno disuelto...........................................................................................7
Materiales y métodos...........................................................................................................9
Desarrollo experimental......................................................................................................10
Medición y Control de pH................................................................................................10
Medición de oxigeno disuelto.........................................................................................11
Medición y control de la espuma....................................................................................11
Resultados...........................................................................................................................12
Análisis de Resultados.........................................................................................................15
Conclusiones....................................................................................................................... 17
Referencias..........................................................................................................................18
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Practica 2 “Instrumentación para el seguimiento y control de la biorreacción”
Objetivo
Conocer y manejar sistemas de medición y control de variables de
operación de biorreactores de tanques agitados, a través de las determinaciones
en línea de pH, oxígeno disuelto, y espuma.
Introducción.
El ambiente existente en el interior de los biorreactores debe permitir una óptima
actividad catalítica. Parámetros como la temperatura, el pH, la concentración de oxígeno
disuelto, el caudal del medio de fermentación, la velocidad del agitador y la velocidad de
difusión del aire tienen un importante efecto sobre el rendimiento de la biorreacción y
sobre las reacciones enzimáticas. Para proporcionar el ambiente adecuado, las
propiedades del sistema deben estar monitorizadas y así poder controlar cualquier
desviación de los valores deseados.
En la industria de la fermentación existen varios niveles de control del proceso.
*Control manual: es el más simple, requiere de un operador humano para manipular los
dispositivos como bombas, motores, y válvulas.
*Control feed-back: control automático que se utiliza para mantener los parámetros en
sus valores prefijados.
Cualquier intento de comprender o controlar el estado de una biorreacción depende del
conocimiento que se tenga sobre las variables críticas que afectan el proceso, estos
parámetros pueden agruparse en 3 categorías como se puede observar en el cuadro 1.
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Cuadro 1. Parámetros medidos o controlados en los biorreactores.
FISICOS QUIMICOS BIOLOGICOS
Temperatura pH Concentración de biomasa
Presión Oxigeno disuelto Concentración de enzima
Peso del reactor CO2 disuelto Composición de la biomasa
Nivel de liquido Potencial redox Viabilidad
Nivel de espuma Composición del gas de
salida
Morfología
Velocidad del agitador Conductividad
Potencia consumida Composición del caldo
Caudal de gas
Viscosidad del cultivo
Contenido en gas
Idealmente las mediciones de estos parámetros deberían realizarse in situ y en línea, es
decir, en un punto cercano o dentro del propio biorreactor durante la operación, de
manera que el resultado esté disponible inmediatamente para la acción del control.
Muchas variables importantes como la concentración de biomasa y la composición del
cultivo, no puede medirse normalmente en línea debido a que no existen instrumentos
apropiados. En vez de ello, las muestras deben ser recogidas del reactor y llevadas al
laboratorio para su posterior análisis. Como las condiciones de fermentación pueden
variar mientras se realiza el análisis en el laboratorio, la acción de control basado en dicha
medición no resulta efectiva. Las mediciones fuera de línea se utilizan en las
fermentaciones industriales para el análisis de las concentraciones de biomasa,
carbohidratos, proteínas, fosfatos y lípidos, para la actividad enzimática y para la reología
del caldo nutritivo.
Ejemplos de mediciones que pueden realizarse en línea en la industria son:
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• Temperatura
• Presión
• pH
• Concentración de oxígeno disuelto
• Caudal
• Velocidad del agitador
• Potencia consumida
• Nivel de espuma
• Peso del caldo
La disponibilidad de la medida en línea no significa necesariamente que se aplique a
procesos en escala industrial. Debido al costo que conlleva su instalación y a las
consecuencias financieras que puede acarrear el fallo del instrumento durante la
fermentación, los dispositivos de medida utilizados en la industria deben cumplir estrictos
criterios de rendimiento. Estos incluyen:
Precisión dentro del 1-2% de la escala completa
Operación fiable durante al menos el 80% del tiempo
Bajo mantenimiento
Esterilizables con vapor
Sencillez de manejo y rápida calibración
Una desviación máxima inferior al 1-2% de la escala completa.
El desarrollo de nuevos instrumentos para la medición en línea de las variables químicas y
biológicas supone un reto importante para los investigadores de ingeniería de
bioprocesos.
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Sistema de control de espuma
La espuma causa infinidad de problemas de operación por lo que el control de la misma es
un parámetro importante en el diseño de los biorreactores.
Los sensores que miden y a su vez controlan los niveles de espuma dentro del biorreactor
están basados en la conductividad del medio, cuando se ha cerrado el circuito entre el
medio de cultivo y la espuma, se activa una bomba dispensadora de antiespumante o se
activa el motor del rompe-espuma.
La espuma se forma al quedar atrapadas burbujas de aire producidas durante las diversas
fases del proceso, como la agitación y la dispersión del aire.
La interfase aire-líquido de estas burbujas está rodeada por los agentes tenso activos
presentes en la biorreación, que debido a su baja densidad emigran a la superficie.
Durante este proceso, las burbujas pequeñas se pueden combinar para formar otras más
grandes que suben más rápidamente. Las burbujas se acumulan en la superficie
deformándose a sí mismas a la superficie de la biomasa. El aire queda atrapado por la
formación de una lamela estabilizada por la presencia de los agentes tensoactivos. En
general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de
cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica.
La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen
acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido,
contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido.
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Para eliminar la espuma se deben evitar los efectos estabilizadores haciendo uso de un
antiespumante que debe tener al menos una de las siguientes propiedades:
1. Ser capaz de destruir la espuma para eliminar la ya existente.
2. Ser capaz de prevenir la espuma para impedir su formación.
3. Ser capaz de liberar el aire para facilitar que la espuma llegue a la superficie.
Para que un antiespumante nos ofrezca los resultados deseados debe considerarse:
-Que tenga una tensión superficial menor que el medio espumante
-Que se disperse en el medio espumante
-Que sea compatible y estable con medio espumante.
Para seleccionar el antiespumante adecuado, se debe de tener en cuenta: el medio que se
va a tratar (acuoso, no acuoso o solvente) y la cantidad de espuma que se requiere
controlar o eliminar.
Los antiespumantes pueden ser sustancias químicas con una tensión superficial baja como
la silicona y los aceites minerales, los ácidos grasos y los compuestos fluorocarbonados.
Algunos ejemplos son los siguientes:
VEHICULOS
Emulsiones acuosas.
Aceites minerales.
Aceites farmacéuticos.
Polioxialcalenos.
Poliaxialcalenos en dispersión.
SUSTANCIAS ACTIVAS
Polisiloxanos tridimensionales.
Poliésteres de Siloxano.
Compuestos de silicona.
Siliconas en emulsión.
Sílices.
Estearatos.
EBS.ceras.
Ceras de polietileno.
Polioxialcalenos
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Los rompedores de espuma deben ser de:
- Destrucción mecánica suave
- Baja demanda energética
- No requiere de corriente
- Libre de mantenimiento
- Bajo contenido de aire en espuma residual licuada
Sistema de control de pH
El sistema controla el pH del medio de cultivo; que es generada por los productos de
desecho y el metabolismo propio del cultivo celular o microorganismos.
Fig. 1 Sistema de control de pH
Un sistema de control de acidez consta de:
a) Dos subsistemas mecánicos servo controlados
1. Sistema Dispensador de Ácido, que consta de:
•Dispensador aséptico de ácido (HCl)
• Filtro microporo en línea
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• Manguera flexible resistente al ácido
• Bomba peristáltica
2. Sistema Dispensador de Álcali, que consta de:
• Dispensador aséptico de álcali (NaOH);
• Filtro microporo en línea
• Manguera flexible resistente al álcali
• Bomba peristáltica
Las mangueras flexibles se deben conectar al sistema (biorreactor) mediante un tubo de
adición de reactivo para cada una de ellas.
b) Un sistema de control formado por:
• Controlador de pH: ordena y regula la acción del motor que controla a las
bombas peristálticas que suministran el ácido y el álcali.
c) Un sistema de medición formado por:
• Sensor de pH: sonda o probeta electroquímica que mide la acidez y “dice”
al controlador de pH, la situación del medio.
• pH Óptimo: toda célula y microorganismo poseen un rango de acidez (pH)
dentro del cual, es posible su crecimiento con normalidad; dentro de ese rango,
existe un pH óptimo en el cual el crecimiento es máximo y muy bien definido.
Medición de oxígeno disuelto
El Oxígeno Disuelto (OD) es la cantidad de oxígeno que está disuelta en algún fluido al que
se le proporciona agitación. El nivel de oxígeno disuelto puede ser un indicador de cuán
contaminada está el agua y cuán bien puede dar soporte esta agua a la vida vegetal y
animal. Generalmente, un nivel más alto de oxígeno disuelto indica agua de mejor calidad.
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La cantidad de oxígeno que puede disolverse en el agua (OD) expresado normalmente en
ppm (partes por millón) depende de la temperatura y la elevación del sitio donde se toma
la muestra. El agua más fría puede guardar más oxígeno en ella que el agua más caliente.
En un biorreactor el sustrato puede llegar a sobresaturarse con oxígeno debido a que el
agua de mueve rápidamente por la agitación o burbujeo proporcionado, esto puede ser
dañino para los microorganismos.
Los valores del Porcentaje de Saturación del OD de 80-120% se consideran excelentes y los
valores menores al 60% o superiores a 125% se consideran malos.
Medidor de oxigeno
El medidor de oxígeno se utiliza para medir la cantidad de oxígeno disuelto en líquidos.
Normalmente se utilizan dos escalas de medición: partes por millón (ppm); o porcentaje
de saturación (%), que se define como el porcentaje de oxígeno disuelto en 1 litro de agua,
respecto la cantidad máxima de oxígeno disuelto que puede contener 1 litro de agua. Es
necesario determinar la cantidad de oxígeno disuelto en el agua porque es un indicador de
la calidad del agua.
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Materiales y métodos
Equipos:
Biorreactores de laboratorio
Instrumentación:
Sistema de medición y control de pH
Electrodo de pH con su camisa presurisable y conectores para el biorreactor
Cables
Medidor
Controlador
Bomba de adición de ácido o álcali.
Sistema de medición y control de oxígeno disuelto
Electrodo polarografico
Cables
Medidor
Controlador
Sistema de medición y control de espuma
Electrodo
Medidor
Controlador
Bomba de adición de antiespumante.
Materiales:
-Tanque de Nitrógeno puro con válvula de control de presión y flujo
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-Vasos de precipitado de 250 ml, 500 ml, y de 2000 ml
-Probetas de 1000ml
-Mangueras de silicón para bombas peristálticas.
Reactivos:
-Solución de NaOH 6 N
-Solución de HCl 6 N
-Antiespumante
-Solución con detergente.
Desarrollo experimental
Medición y Control de pH Una velocidad de agitación del
biorreactor
Fig. 2 Diagrama de bloques para la medición y control de pH.
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HCl 6 N hasta que el pH registrado sea el pH inicial AGREGAR
VERIFICAR
ENCENDER
ESTABLECER
ESTABLECER
AGREGAR
OBSERVAR
El equipo de medición y control de pH
Que el valor de pH que registra sea igual que el de la muestra tomada del biorreactor medida fuera de linea
Set point en un valor inferior de 5 y superior de 9.4
Al biorreactor NaOH 6 N
La variación de pH
Medición de oxígeno disuelto
Fig. 3 Diagrama de bloques para la medición y control de oxigeno disuelto
Medición y control de la espuma
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Completamente el flujo de Nitrógeno y observar como el valor de oxigeno disuelto vuelve a su valor normal.
CERRAR
OBSERVAR
HACER
ESTABLECER
ENCENDER
ESTABLLECER
AGREGAR
Como el oxigeno disuelto baja en el equipo de medición
Pasar un valor de flujo de Nitrógeno tal que no sobrepase los 0.75 VVM totales y verificar en el rotámetro
En el equipo 100% del valor de saturación
El equipo de medición de oxigeno disuelto y espere hasta que la lectura permanezca estable
Un flujo de aire a un valor de 0.5 VVM y verificar en el rotametro
Al biorreactor 300 mL de agua a temperatura ambiente
Fig. 4 Diagrama de bloques para la medición y control de espuma.
Resultados
El control de los bioprocesos requiere la monitorización y el ajuste de muchos parámetros, además de que son simultáneos; En vez de que sean individuales es normal utilizar un mismo ordenador para diferentes lazos de control de realimentación
Un dispositivo de medida detecta el valor de la temperatura y envía una señal al controlador.
En el controlador, el valor medido es comparado con el valor deseado conocido como punto de consigna o set point
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OBSERVAR
AGREGAR
INCREMENTAR
MANTENER
INCREMENTARRr
OBSERVAR
ESTABLECER
AGREGAR
Antiespumante
Lo que sucede con la espuma en el biorreactor
El flujo de aire a 75 VVM, cuando la velocidad de agitación sea de 400 rpm.
Por 10 minutos cada una de las velocidades probadas y observe lo que pasa con la espuma
La velocidad de agitación en intervalos de 50 rpm hasta llegar a 400 rpm
Si a esa velocidad de forma espuma
Una velocidad de agitación de 250 rpm y un flujo de aire de 0.15 VVM verificar en el rotametro
Al biorreactor 300 mL de agua y 1 gota de detergente a temperatura ambiente
La desviación entre el valor medido y el deseado es el error que es utilizado por el controlador para determinar que acción debe tomarse con el fin de corregir el proceso. Puede ser una persona que observa el proceso o un dispositivo electrónico automático
El controlador produce una señal que es transmitida al actuador, que ejecuta la acción del control
Figura 5. Diagrama de funcionamiento de control Feedback
En la figura 5 está representado el sistema que se utiliza para el control de la mayoría de
las variables medibles.
En el caso de la medición del pH donde el sensor o dispositivo de medida que consta de un
par de electrodos, uno de referencia y uno de vidrio envueltos en otro de mayor tamaño,
se fundamenta en que la diferencia de potencial que se estable entre el contenido de la
membrana y fuera de ella es proporcional a la cantidad de iones H+ (pH), el sensor envía la
señal al medidor en el cual previamente establecimos el set-point, el cual fue de 4.81-
9.41, se adiciono NaOH y se pudo observar cómo fue aumentando el pH, una vez que
sobrepaso el valor del set-point, se adiciono HCl manualmente ya que el sistema no
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-
+ Variabl
Perturbaciones
Variable medidaDispositivo de Medida
PROCESOActuadorControlador
Punto de consigna
contaba con bomba peristáltica para su adicción, observando así el funcionamiento del
sistema de medición y control del pH en un biorreactor a nivel laboratorio.
El sistema de medición de espuma utilizado en la práctica, realmente representa una
simulación del sistema de medición y control de espuma debido a que la instrumentación
utilizada no es la ideal, se utilizó un voltímetro como medidor y una de sus salidas como
sensor, el control del sistema fue un controlador humano, una persona agregó el
antiespumante, sin embargo en esta simulación si pudimos conocer el principio básico de
este sistema que son los circuitos eléctricos, una vez que el sensor detecta espuma se
abre el circuito eléctrico lo que se aprovecha para accionar una bomba que adicione
antiespumante, para mantener el nivel de espuma controlado.
Fig. 6 Esquema del sistema de medición y control de oxígeno disuelto
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Sensor
Válvula
Válvula
Compresor
Sens
Filtro
Vá
CompresorFiltro
Tanque
Biorreactor
Tanque
de N
+Variable
PerturbacioV
Dispositivo de Actua
Biorreactor
En la figura 6 se puede observar el esquema del sistema de medición de oxigeno disuelto
utilizado en laboratorio, el cual consta de un sensor que está compuesto de un par de
electrodos delimitados por una membrana, la cual detecta el oxigeno disuelto en el
contenido del biorreactor, un medidor el cual tuvo que haber sido llevado a 100% de
saturación, sin embargo debido a fallas en este, solo se pudo llegar a un valor de 47 % de
saturación, el controlador fue una válvula que al abrirla permitió la salida de Nitrógeno, el
cual provoco que el valor de saturación en el medidor bajara a 0%, y una vez que se cerró
la válvula de Nitrógeno permitiendo solo el paso de aire, el valor de saturación de Oxigeno
se elevó a un 62.31%. De este modo se observó el funcionamiento del sistema de
medición y control de oxígeno disuelto.
Análisis de Resultados
La Instrumentación en un biorreactor es esencial y muy importante ya que mediante ésta
se miden y controlan las distintas variables que forman parte del bioproceso, esto con el
fin de aumentar la productividad del proceso.
Los diferentes sistemas de medición y control de un biorreactor se basan en distintos
principios, según la naturaleza de la variable por ejemplo, el principio en que se basa la
medición del pH que es un parámetro químico es distinto al principio de medición de
temperatura, que es un parámetro físico.
Según el tipo de variable a medir, el sistema de medición y control está conformado por
diferentes componentes, sin embargo un sensor, un medidor y un controlador son
elementos comunes a todos los sistemas de medición y control los cuales están siempre
presentes, y que según la variable a medir se encuentran diferentemente distribuidos en
el sistema de medición.
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En el sistema de medición y control del pH el sensor es un electrodo de vidrio colocado
dentro del biorreactor y está directamente conectado con el contenido dentro del
biorreactor, el medidor se encuentra dentro de una caja al igual que el controlador, donde
se establece el encendido de las bombas peristálticas de ácido o álcali según sea
necesario.
Entre las principales dificultades que se encontraron en el sistema de medición y control
de pH fueron que dependiendo de la agitación será la medición mostrada para pH, ya que
al estar el medidor en la parte inferior la medición no es inmediata ya que tarda en
difundirse la base o el ácido, y esto representa dificultades ya que se puede adicionar más
acido del necesario (o base según sea el caso).
Para el sistema de medición y control de la espuma se simuló un sensor que al estar en
contacto con la espuma envía una señal eléctrica que cierra o abre el circuito eléctrico y
por lo tanto adicionar o dejar de adicionar antiespumante, en la práctica solo se simuló
esto ya que el antiespumante se adiciono manualmente.
Durante la práctica el tensoactivo utilizado Etilenglicol, no funciono como antiespumante
ya que no cumplió con ninguna de las características requeridas, ya que ni destruyo la
espuma ya formada ni impidió la formación de nueva espuma, esto se debe a las
propiedades del etilenglicol ya que esta sustancia es utilizada para sistemas de
transferencia de calor como refrigerante en mezclas con agua. Sería importante utilizar
diversos antiespumantes para así poder decidir cuál es el indicado para eliminar la espuma
que se forma debido al detergente en el sistema.
En cuanto a los parámetros que influyeron en la formación de espuma se observó que la
aireación tiene más influye sobre esta, ya que al ir aumentando la agitación la espuma que
se formaba no incrementaba, en cambio al aumentar la aireación se formaba espuma a
una mayor rapidez. Esto se debe principalmente a que la aireación permite un
movimiento total del líquido dentro del biorreactor ya que lo mueve desde la parte
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inferior hasta la superior además de que ayuda a que las burbujas que se van formando
por la agitación salgan a la superficie del líquido, mientras que la aireación solo forma
pequeñas burbujas a los lados y estas se rompen al chocar con las aspas de los agitadores.
En el sistema de medición y control de oxígeno disuelto el sensor es un electrodo con
membrana semipermeable mediante la cual el oxígeno difunde, posteriormente se
reduce en la superficie del cátodo y se forma cloruro de plata en el ánodo, una solución
electrolítica une al ánodo estableciéndose un voltaje de polarización entre ellos, el
resultado es una corriente eléctrica que es proporcional a la actividad de oxigeno disuelto.
En la práctica, no se pudo realizar tal comprobación debido a fallas del equipo.
La monitorización de las variables en un biorreactor mediante la instrumentación
representa un área de investigación que ayuda a mejorar el rendimiento de los
bioprocesos y a poder alcanzar una operación uniforme y satisfactoria, sin embargo,
también representa un reto el desarrollo de nuevos instrumentos para la medición de
variables que presentan más dificultades, como lo son las variables químicas y biológicas.
Conclusiones
La instrumentación en un biorreactor sirve para monitorizar y controlar las variables
involucradas en el bioproceso con el fin de maximizar la productividad.
Los sistemas de medición y control de las diferentes variables están constituidas por un
sensor, un medidor y un controlador, éste último está compuesto por un transductor y un
actuador.
La medición en línea es el contacto directo del sistema de medición y control con el
contenido del biorreactor, y es la más adecuada para la medición de variables ya que la
muestra se toma directamente del medio.
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El pH, la concentración de oxígeno disuelto, y el nivel de espuma se miden y controlan en
línea.
El set-point es un ajuste a valores fijos, uno superior y uno inferior que sirven para
establecer el rango de oscilación del valor medido de una variable particular.
El fundamento del sistema de medición de pH es la diferencia de potencial entre las 2
caras de la membrana de vidrio a disoluciones acuosas que difieren de su valor de pH.
El fundamento del sistema de medición y control de espuma son los circuitos eléctricos.
Al estar el sensor en contacto con la espuma abre el circuito eléctrico, lo que se aprovecha
para accionar la adición de antiespumante.
Existen variables que solo pueden ser medidas fuera de línea como la concentración de la
biomasa.
Referencias
M. Doran Pauline. PRINCIPIOS DE INGENIERIA DE LOS BIOPROCESOS. Editorial Acribia.
España, 1998. Páginas 359-366.
Ward OP. Biotecnología de la Fermentación. Acribia. [España], 1991.
Schügerl K. Bioreaction Engineering. Vol. 2. John Wiley and Sons. [Great Britain], 1990.
McNeil B, Harvey LM. Fermentation: a practical approach. In: Laboratory Fermenters. IRL
press. Oxford University, 1990.
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Bailey JE. Biochemical Engineering Fundamentals. Second edition. McGraw-Hill.
[Singapore], 1986.
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