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XIX Congreso Nacional de Ingeniera Bioqumica
XIX National Congress of Biochemical Engineering
VIII Congreso Internacional de Ingeniera Bioqumica
VIII International Congress of Biochemical Engineering
XII Jornadas Cientficas de Biomedicina y Biotecnologa
Molecular
XII Biomedicine and Molecular Biotechnology Scientific
Meetings
Clave: IBQ56RCA20131228
DISEO, CONSTRUCCIN, INSTRUMENTACIN Y CONTROL DE UN BIORREACTOR
DE TANQUE
AGITADO
R.L. Castaeda-Aguilar*1; V. Ibarra-Junquera1; J.J.
Virgen-Ortiz1; P.
Escalante-Minakata1, J. A. Osuna-Castro2; A. Gonzlez Potes3.
DIRECCIN DE LOS AUTORES
1Laboratorio de Bioingeniera, Universidad de Colima, Coquimatln,
Col. 28400. Mxico.
2Facultad de Ciencias Biolgicas y Agropecuarias, Universidad de
Colima.
3Facultad de Ingeniera Mecnica y Elctrica, Universidad de
Colima.
CORREO ELECTRNICO
[email protected]; [email protected]
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Molecular
Mar del Norte No. 5, Col. San lvaro Azcapotzalco C. P. 02090,
Mxico, D. F. Tel. y Fax: 5623 3088 email: [email protected],
[email protected]
INTRODUCCIN
Hoy en da, la biotecnologa est
revolucionando la produccin de
medicinas, alimentos, fertilizantes y otros
productos de alto valor aadido, en
consecuencia, cada vez ms laboratorios
de investigacin y desarrollo en el mundo
estn investigando y produciendo
biomolculas naturales o modificadas,
tales como protenas, pptidos y
anticuerpos. En todos estos casos los
biorreactores son el corazn del proceso
debido a que pruebas, optimizacin, y
diseo de sistemas de monitoreo y control
suceden en ellos. En particular el diseo,
operacin, supervisin y control de
biorreactores constituye un elemento
fundamental en gran nmero de procesos
cuya eficiencia depende del
funcionamiento ptimo del sistema de
reaccin (Ibarra-Junquera et al., 2010).
Un biorreactor es un dispositivo
biotecnolgico en cuyo interior se efectan
reacciones qumicas catalizadas por
microorgansimos o sustancias
bioqumicamente activas, derivadas de los
mismos. El diseo de biorreactores es una
tarea de ingeniera compleja, desde el
punto de vista biolgico el biorreactor
debe proveer internamente un ambiente
que garantice y maximice la produccin y
el crecimiento de un cultivo (Liu, 2013).
Externamente es la frontera que protege el
cultivo del ambiente no controlado y debe
implementar los controles necesarios para
que la operacin o bioproceso se lleve a
cabo con economa y alto rendimiento en
el menor tiempo posible, esa es la parte
tecnolgica (Cabrera et al., 2003).
Actualmente existen biorreactores
comerciales de tanque agitado (STB) tipo
benchtop pero son poco flexibles en
relacin a su software de control y modos
de operacin. Adems, el costo de un
modelo bsico oscila entre los 30,000 y
40,000 dlares; lo cual afecta la capacidad
adquisitiva de investigadores y
universidades.
Por ello se propone desarrollar un STB
tipo benchtop en el cual se puedan
monitorear variables de proceso en lnea e
implementar distintas leyes de control, con
diferentes tcnicas de control en tiempo
real desde el Simulink de Matlab. El uso
de un software extensamente utilizado en
la academia posibilita llevar a la prctica
recientes desarrollos de teora control,
creando as una herramienta de trabajo
para acadmicos interesados en innovar en
el campo del control de procesos (Aros y
Cifuentes, 2003).
OBJETIVOS
- Disear y construir los elementos de un
STB que permitan un desempeo ptimo
bajo distintos modos de operacin, con
capacidad de hasta 5 litros.
- Disear y construir componentes
electrnicos de alta precisin y bajo costo,
los cuales permitan el monitoreo y control
del STB en lnea utilizando el Simulink de
Matlab, en base a un microcontrolador.
- Implementar una interfaz hardware-PC
que permita explorar diferentes leyes de
control de biorreactores y diseo de
observadores desde Simulink de Matlab.
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MATERIALES Y MTODOS
Para el diseo de elementos mecnicos se
utilizaron materiales disponibles de forma
comercial, esterilizables y de bajo costo.
Usando como material de diseo un
plstico a base de una poliamida (Nylon
6/12), con el que se fabricaron la mayor
parte de elementos mecnicos (en las
figuras aparece color hueso). La tornillera
es de acero inoxidable (316L) y los
cilindros del cuerpo de vidrio
(Borosilicato). Adems se consideraron
normas de diseo del ANSI e ISO.
En la etapa de instrumentacin se
utilizaron componentes electrnicos
econmicamente accesibles, de alta
precisin. Las variables que se miden en
lnea son: biomasa (Fogale evo200), pH
(Hanna Instruments HI 1230B), ORP
(Hanna Instruments HI 1230B),
temperatura (termopar tipo J) y grados
Brix (Anton Paar L-Dens 313).
La adquisicin de datos y el control del
proceso se ejecuta en un sistema embebido
basado en un microcontrolador (C)
PIC18F46K22. Las variables de proceso
controladas tienen la posibilidad de
realizar seguimiento de trayectorias y son
la velocidad del motor impulsor (Mercury
SM-42BYG011-25) y la alimentacin de
sustrato mediante una servobomba
(Grundfos DMS-2). Finalmente se
desarroll una interfaz de monitoreo y
control de variables desde el Simulink de
Matlab estableciendo comunicacin con el
C por medio de un conversor de
protocolos serial-USB (MCP2200).
DESARROLLO
Debido a la naturaleza multidisciplinaria
requerida por la investigacin se ha
dividido en 3 etapas de acuerdo al rea de
ingeniera que mayor impacto tiene en su
desarrollo.
En la primera etapa se concibieron,
disearon y construyeron los elementos
mecnicos del STB. Para ello se
consideraron ventajas y desventajas de
biorreactores comerciales anlogos.
Algunas de las mejoras propuestas son:
capacidad para variar el volumen de
trabajo, implementacin de un sistema de
regulacin trmica en el medio de cultivo,
puertos de entrada en la parte inferior,
posibilidad de cambio en el modo de
operacin, capacidad para cambiar la
geometra del impelente. Como apoyo en
el proceso de diseo se utiliz el software
Inventor 2012.
La segunda etapa consisti en disear y
construir los elementos relativos a las
reas de elctrica y electrnica; para
realizar la el monitoreo y control desde la
PC. El resultado de esta etapa es el
hardware requerido para realizar
monitoreo y control en lnea. El diseo
electrnico se realiz en el software de
Labcenters Electronics Proteus 8.0 y la
programacin del C se implement en C
con ayuda del CCS PIC Compiler 4.130.
En una tercera etapa se desarroll una
interfaz de monitoreo y control en lnea
desde el Simulink, el resultado de esta
etapa es una interfaz de usuario en la que
el sistema es capaz de realizar monitoreo y
control desde el Simulink 7.8 incluido en
el Matlab 2011b.
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RESULTADOS
De la primera etapa el resultado principal
es el cuerpo del STB (Figura 1), que est
compuesto por dos cilindros de
borosilicato y dos tapas en los que se
alojan sellos de vitn (o-ring). Este diseo
permite variar el volumen de trabajo
cambiando la altura de los cilindros.
Figura 1: Cuerpo del STB. En la figura
se muestran las medidas del STB para un
volumen til de trabajo de 3 Lts.
En la Figura 1, se observa que existe un
espacio entre los cilindros de vidrio, su
propsito es contener un volumen de
fluido en circulacin a una temperatura
deseada (camisa o chaqueta), para evitar
variaciones trmicas (perturbaciones) en el
medio de cultivo, de origen externo como
internos (debido a reacciones).
Los puertos de entrada se encuentran en la
tapa inferior con el fin de minimizar el
volumen necesario para realizar
mediciones. Cuenta con 6 conectores
glndula NPT de 3/4" para electrodos
tubulares de 5 mm a 12 mm de dimetro,
tambin se incluyeron 6 conectores de
espiga para manguera de 1/4" para realizar
mediciones externas, alimentacin de
sustratos o entrada de gases. La tapa
inferior cuenta con un barreno roscado de
3/4" en la parte central para colocar una
servovlvula con el fin de poder cambiar
los modos de operacin del STB, en la
Figura 2 se muestran los puertos de
entrada.
Figura 2: Puertos de entrada del STB.
En la figura se muestra la distribucin de
los puertos de entrada del STB.
En la tapa superior se localiza un conector
espiga de 3/4" para la alimentacin de
sustratos principal y otro de 1/4" para una
manguera de escape de gases. La tapa
superior cuenta con soportes para
ensamblar el sistema impulsor, lo que
permite evitar desalineacin, vibraciones y
el cambio de impelentes.
El sistema es sencillo de ensamblar
mediante un conector hexagonal de 1/4 DIN 3126. Adems, cuenta
con un sensor
de torque para medir cambios reolgicos
en el medio
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El cuerpo del STB se ha montado en una
base y agregado una cubierta en el sistema
motriz como medida de seguridad. En la
Figura 3, se presenta la propuesta final del
STB en etapa de diseo mecnico.
Figura 3: STB desarrollado. A la
izquierda, diseo completo de STB, a la
derecha STB monitoreando el cambio
reolgico en solucin de pectina bajo la
accin de pectinasa.
Para cumplir con la etapa del desarrollo de
hardware fue necesario disear y construir
acondicionadores de seal para la
adquisicin de datos provenientes de los
sensores, drivers para accionamiento de
actuadores, interfaces del sistema, fuentes
de alimentacin as como una tarjeta de
control principal. En la Figura 4, se
muestra el diseo del PCB donde se
encuentra el sistema embebido basado en
el C PIC18F46K22 que ejecuta la etapa
de control a nivel hardware. Adems, la
interfaz de comunicaciones con el
Simulink para realizar el monitoreo y
control en lnea. El sistema se ha
concebido de forma modular con el fin de
permitir expansiones o que sea posible
seleccionarse la configuracin del STB de
acuerdo a las necesidades de cada
aplicacin.
Figura 4: Vista de PCB de tarjeta de
control principal. En la figura se muestra
la distribucin de elementos de la tarjeta de
control a base del C PIC18F46K22.
En la tercera etapa se desarroll una
interfaz de monitoreo y control en lnea
desde el Simulink en la que el sistema
fuera capaz de realizar seguimiento de
trayectorias en tiempo real. Para la
comunicacin hardware-PC se utiliz el
protocolo RS-232c (Serial) ya que el
Simulink provee libreras para realizar
comunicaciones con dicho protocolo y con
el fin de mejorar la compatibilidad del
sistema se incorpor un MCP2200 para
conectar el sistema mediante el protocolo
USB. Dentro del Simulink se program un
algoritmo para el manejo de mltiples
canales tanto de entrada (monitoreo) como
de salida (control) y se han tomado
medidas en caso de fallos como
sobretensiones y desconexiones con fines
de seguridad. Cabe mencionar que una vez
la informacin es recibida por el Simulink
se pueden implementar libremente las
libreras incluidas (bloques, funciones
embebidas) para procesar los datos.
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En la Figura 5, se muestran los
bloques principales de la interfaz. La
Figura 6 muestra un ejemplo de monitoreo
de torque en el caso de cambio reolgico
en una solucin de pectina bajo la accin
de una pectinasa.
Figura 5: Bloques principales de
interfaz de monitoreo y control. A la
izquierda el bloque de monitoreo de
variables, a la derecha el bloque de salidas
de control, entre los bloques es donde se
coloca el algoritmo de monitoreo y control
deseado.
Figura 5: Ejemplo de monitoreo de
Cambio reolgico en STB. Grfico de la
dinmica del torque en una solucin de
pectina bajo la accin de una pectinasa, a
temperatura constante.
CONCLUSIONES
Se dise, construy, instrument y
control un STB con capacidad de hasta 5
litros, de bajo costo, capaz de cambiar su
modo de operacin (lote, lote alimentado y
continuo). Orientado a las necesidades de
investigacin y al sector acadmico cuyo
monitoreo y control se realiza desde el
Simulink de Matlab. El STB es capaz de
monitorear temperatura en medio de
cultivo (C), torque en el sistema motriz
(N-m), potencial de hidrgeno (pH),
potencial de xido-reduccin (ORP),
biomasa (pF), grados brix (Bx) y es capaz
de controlar con seguimiento de
trayectorias la velocidad del sistema de
agitacin (rpm) as como el caudal de
alimentacin de sustrato (ml/s).
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
1. Ibarra-Junquera V.; Escalante-Minakata P.;
Mancilla-Margalli N.A.; Murgua J.S.;
Garca de la Rosa L.A.; Rosu H.C. (2010):
Strategies to monitor alcoholic fermentation
processes, Industrial Fermentation: Food
Processes, ISBN: 978-1-60876-550-8.
2. Liu Shijie. (2013): Bioprocess
Engineering: Kinetics, Biosystems,
Sustainability, and Reactor Design, Elsevier,
915-932.
3. Cabrera Llanos A.I.; Rodrguez Arvalo
A.C.; Valencia Flores J.I. (2003): Diseo y
construccin de los instrumentos de un
Biorreactor Prototipo, Revista Mexicana de
Ingeniera Biomdica, vol. 24, n 1, 55-70.
4. Aros N.; Cifuentes M.; Mardones J. (2011):
Modelacin, simulacin y control de procesos
de fermentacin, Ingeniare: revista chilena de
ingeniera, vol. 19, n 2, 210-218.
N-m
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DIRECCIN DE LOS AUTORESINTRODUCCINOBJETIVOSMATERIALES Y
MTODOSDESARROLLORESULTADOSCONCLUSIONESREFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
