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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE POSTGRADO SECCIÓN DE POSTGRADO EN CIENCIAS BIOLÓGICAS DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE INMERSIÓN TEMPORAL NEUMÁTICA PARA LA MULTIPLICACIÓN DE Ananas comosus var. ROJA TRUJILLANA TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS MENCIÓN EN BIOTECNOLOGÍA AGROINDUSTRIAL Y AMBIENTAL Autor: Br. RICHARD ANDI SOLÓRZANO ACOSTA Asesora: Dra. ANA MARLENE GUERRERO PADILLA Trujillo Perú 2016 N° de Registro

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

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Page 1: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

ESCUELA DE POSTGRADO

SECCIÓN DE POSTGRADO EN CIENCIAS BIOLÓGICAS

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE

BIORREACTORES DE INMERSIÓN TEMPORAL NEUMÁTICA

PARA LA MULTIPLICACIÓN DE Ananas comosus var. ROJA

TRUJILLANA

TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS

MENCIÓN EN BIOTECNOLOGÍA AGROINDUSTRIAL Y AMBIENTAL

Autor: Br. RICHARD ANDI SOLÓRZANO ACOSTA

Asesora: Dra. ANA MARLENE GUERRERO PADILLA

Trujillo – Perú

2016

N° de Registro

Page 2: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

JURADO DICTAMINADOR

Dra. Eva Villanueva de Cueva

PRESIDENTA

Ms. Aníbal Quintana Díaz

SECRETARIO

Dra. Ana Marlene Guerrero Padilla

MIEMBRO

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i

DEDICATORIA

A Francho y Sachi mis eternos amigos

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ii

AGRADECIMIENTO

Porque en la individualidad estamos solos, porque en el camino siempre aparecen las

personas que necesitamos aunque no cuándo y cómo queramos, porque tras la

adversidad al final todo parece tener sentido y las cosas haber estado escritas, porque

nada es sólo nuestro y existe sin la voluntad de otros que comparten nuestros

anhelos, quiero expresar mi agradecimiento a todos ellos.

Quiero agradecer de manera especial y sincera a mi asesora, la Dra. Marlene

Guerrero Padilla por su amabilidad y especial cuidado en la revision del presente

trabajo.

Sinceramente a la Dra. Miryam Borbor Ponce por permitirme realizar las pruebas

con el cultivo de piña roja trujillana en el laboratorio de Biotecnología de la Escuela

de Agronomía de la Universidad Naional de Trujillo.

Agradezco al Ing. Rubino Mejía Anaya por su apoyo con las plantas de piña y medio

de cultivo en el laboratorio de Biotecnología.

A la Dra. Eva Villanueva Tarazona por su orientación en el Sistema de filtrado y su

Amistad.

Al ing. Manuel Zapata por su apoyo en el Sistema de automatización con el

temporizador electrónico.

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iii

Agradezco a mis padres por soportar varias veces, cortes del fluido eléctrico, ruido,

apoyo incondicional y su orientación en instalaciones eléctricas, tuberías y tiendas

plásticas que me sirvieron de mucho.

A Kathy por su compañia en todas las compras y la búsqueda de componentes y a los

amigos Raúl y Guillermo, porque hicieron más llevadero el proceso con su

curiosidad y a veces extravío.

A Felipe, quien indirectamente sin saberlo me facilitó financiar este proyecto y a la

mosca de la fruta, ella sabe lo que pasamos y todo lo que me dió.

A todos aquellos que en el proceso me dijeron “No” y me impulsaron a esforzarme el

doble.

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iv

ÍNDICE

DEDICATORIA ........................................................................................................... i

AGRADECIMIENTO ................................................................................................. ii

ÍNDICE ....................................................................................................................... iv

RESUMEN .................................................................................................................. v

ABSTRACT ................................................................................................................ vi

I. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 1

II. MATERIALES Y MÉTODOS ......................................................................... 9

2.1. OBJETO DE ESTUDIO ............................................................................ 9

2.2. INSTRUMENTACIÓN O FUENTE DE DATOS .................................... 9

2.3. MÉTODOS Y TÉCNICAS ....................................................................... 9

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................... 13

3.1. Diseño del sistema de soporte o andamiaje ............................................. 13

3.2. Diseño del sistema de iluminación .......................................................... 15

3.3. Diseño del sistema de aireación .............................................................. 17

3.4. Diseño del sistema de filtrado ................................................................. 19

3.5. Diseño de los tanques o contenedores ..................................................... 21

3.6. Diseño del sistema de control y automatización ..................................... 24

3.7. Pruebas de funcionamiento ...................................................................... 26

3.8. Pruebas de cultivo de Ananas comosus var. roja trujillana ..................... 27

3.9. Determinación de la tasa de multiplicación del cultivo ........................... 29

IV. CONCLUSIONES .......................................................................................... 35

V. RECOMENDACIONES ................................................................................. 36

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................... 37

ANEXOS ....................................................................................................... .42

Anexo 1. Ficha técnica del filtro de venteo……...……………...……...……42

Anexo 2. Cálculo de las pérdidas de carga por fricción en las tuberías y

accesorios del sistema de aireación………..…………………………..……45

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v

RESUMEN

Existe la problemática de diseñar y construir un biorreactor de inmersión temporal

que sea de bajo costo y con igual o mejor eficiencia que los prototipos comerciales.

Adquirirlos en el mercado extranjero y su alto precio son motivos por lo que no se ha

implementado esta tecnología en países en desarrollo. El presente trabajo pretende

inicialmente identificar los parámetros de diseño de un biorreactor de inmersión

temporal para luego escalarlo a un sistema completo de 24 tanques, luego

implementar el sistema de automatización electro-neumático y realizar una prueba de

eficiencia en la multiplicación in vitro de Ananas comosus var. roja trujillana. Así se

diseñó y construyó un sistema de biorrreactores de inmersión temporal neumática de

bajo costo con 24 tanques de 2 L cada uno. Se diseñó e implementó la

automatización del sistema de biorrreactores de inmersión temporal neumática

mediante un circuito temporizador cuyos parámetros de diseño fueron: duración del

proceso de propagación, el cual depende del periodo de multiplicación del cultivo y

es una variable abierta lo que quiere decir que el operario decide cuándo apagar el

sistema; la duración de cada inmersión, la cual por motivos de complejidad del

algoritmo se estandarizó como 1 minuto; frecuencia de inmersión, la cual se

programó para intervalos de 1,2,3,4,5,6,7,8 horas respectivamente y duración de la

aireación, la cual a partir de una prueba de funcionamiento se eligieron tiempos de

0,20,30,40,50,60,70,y 80 segundos que corresponden a la vez con el tiempo de

entrega de aire comprimido; adicionalmente se determinó la tasa de multiplicación

de Ananas comosus var. roja trujillana en el sistema de inmersión la cual fue de 6.5

veces por unidad propagativa inoculada en treinta días. Se concluye que el sistema

escalado de biorreactores de inmersión temporal neumática automatizado diseñado y

construido funciona según los parámetros de diseño y se logra una apropiada tasa de

multiplicación para la propagación del cultivo de la piña roja trujillana.

Page 8: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

vi

ABSTRACT

The problems to lay plans and to construct a biorreactor of temporary immersion that

be of low cost and with equal or better efficiency exist than the commercial

prototypes. To acquire them motives are what this technology at developing

countries has not taken effect for in the foreign market and his high cost. The present

work attempts initially identifying the designing parameters of one twin-jet of

temporary immersion stops next climbing a complete system of 24 tanks, next

implementing the system of automatization pneumatic electro and accomplishing an

efficiency test in the multiplication in Ananas's vitro comosus var roja trujillana.

That way one laid plans and the L constructed biorrreactores's system of temporary

pneumatic immersion of low cost with 24 tanks of 2 each one. One laid plans and a

circuit implemented the automatization of biorrreactores's system of temporary

pneumatic intervening immersion timer whose designing parameters matched :

Duration of the process of propagation, which depends on the period of

multiplication of cultivation and a sincere variable is that means that the laborer

makes a decision when putting out the system; The duration out of every immersion,

which on the grounds of complexity of the algorithm standardized itself like 1

minute; Frequency of immersion, which programmed itself for intervals of

1.2.3.4.5.6.7.8 hours respectively and duration of aeration, which as from a

performance testing elected times themselves of 0.20.30.40.50.60.70, and 80 seconds

that correspond at the same time in the course of time of delivery of compressed air;

Additionally determined him Ananas's rate of multiplication comosus var. truxilian

red in the system of immersion which went from 6,5 times for propagative inoculated

unit in thirty days. One comes to an end than the system increased of biorreactores of

temporary pneumatic automated immersion designed and constructed works

according to the designing parameters and gets an appropriate rate of multiplication

for the propagation of the cultivation of the roja trujillana pineapple.

Page 9: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

1

I. INTRODUCCIÓN

Dentro de las técnicas de cultivo de tejidos, la micropropagación es una

técnica desarrollada para la producción a gran escala de plantas, que ha sido utilizada

con éxito desde los años 60 del siglo pasado (Basail et al., 2012), con ventajas como,

tasas de crecimiento mayores que en condiciones naturales lo que permite obtener

una gran cantidad de plantas en corto tiempo reduciendo la superficie necesaria para

mantenerlas, la obtención de plantas libres de bacterias, hongos y virus, la

posibilidad de producir plantas durante todo el año (Juárez et al., 2011).

No obstante, esta técnica presenta ciertas limitaciones, requiere gran cantidad

de recipientes de cultivo, mano de obra calificada, una escaza posibilidad de

automatización, la eficiencia de propagación es limitada y son altos los costos de

producción (Georgiev et al., 2014). Existen Biorreactores comerciales que permiten

micropropagar plantas y tienen una gran aplicación en la biotecnología, dichos

reactores se venden en el extranjero con un alto costo, estos prototipos son

desechables.

Un biorreactor es un dispositivo o sistema que soporta un ente biológicamente

activo, en biotecnología vegetal es un recipiente cuya función principal es

proporcionar un ambiente controlado que permita alcanzar las condiciones óptimas

para la micropropagación. La inmersión temporal es un método que consiste en

humedecer de manera intermitente y por un corto periodo de tiempo el tejido de una

planta con medio líquido, seguido por el secado por gravedad, todo esto ocurre

dentro de un biorreactor (Juárez et al., 2011; Georgiev et al., 2014).

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2

Los biorreactores constituyen una tecnología especializada, equipada y

diseñada entre otros para el cultivo de tejidos vegetales; reconociéndose el cultivo de

células, tejidos y órganos como una herramienta importante para la propagación

clonal de cultivos de importancia comercial diversa, la producción de diversos

metabolitos secundarios, la expresión de proteínas complejas (molecular farming), la

fitorremediación convencional o mediante raíces transformadas (Georgiev et al.,

2014).

Un biorreactor de inmersión temporal se caracteriza por sumergir

parcialmente los explantes durante periodos iterativos. Entre sus diversas

aplicaciones se encuentran: cultivos celulares para la producción de metabolitos,

embriogénesis somática para la regeneración de plantas, cultivo de microbios

procariotas (Gueguim et al., 2010), producción de compuestos fenólicos y

flavonoides (Georgiev et al., 2014), producción de la enzima oxidativa laccasa que

cataliza la degradación de lignina (Risdianto et al., 2007); además la producción de

especies ornamentales como Gypsophila paniculata “lluvia” (Radmann, et al., 2001;

citado por Newton et al., 2009). Así se prefiere la multiplicación clonal basada en el

cultivo de tejidos de plantas porque proporciona una producción comercial libre de

patógenos y homogénea genéticamente (Basail et al., 2012).

Utilizar un biorreactor de inmersión temporal es la mejor alternativa para la

solución de los problemas del cultivo in vitro en medio sólido debido a que ofrece las

ventajas de ser una tecnología importante en el incremento considerable de la

velocidad de producción de biomasa en los explantes cultivados, reducción de la

mano de obra, ofrece bajos costos de producción, automatización del proceso

(Alvard et al. Citado por Basail, 2012), permite controlar las condiciones de

operación y es suficiente para establecer un sistema práctico para la propagación

masiva de diversas especies. Todas las ventajas mencionadas se deben a que se

Page 11: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

3

maximiza el área de contacto del medio de cultivo con los explantes, ya que estos se

sumergen en el medio líquido.

A nivel técnico y económico, el uso de biorreactores presenta ventajas a nivel

de costos, ya que el consumo del sustrato es de manera eficiente, proporciona una

mayor área de contacto con el explante reduciendo el costo por planta (Gueguim et

al., 2010). El diseño y construcción de un biorreactor de inmersión temporal propio

implica una menor inversión comparada con prototipos comerciales que son

desechables y de alto costo; además la mayor velocidad de crecimiento se alcanza en

menor tiempo, por lo tanto se obtiene explantes de igual tamaño en menor tiempo

(Acuña, 2009).

La automatización reduce la mano de obra empleada en el proceso lo cual

repercute en costos de operación, además el control de los parámetros de operación

permite que la micropropagación sea más eficiente ya que se proporcionan las

condiciones óptimas para el desarrollo de los explantes (Gueguim et al., 2010).

También se pueden controlar algunas variables del proceso como el tiempo de

inmersión y la frecuencia, el fotoperiodo y el flujo de CO2 (Arencibia, et al., 2013).

Finalmente es posible el escalamiento, ello implica que el trabajar con medio líquido

permite micropropagar un mayor número de plantas en un mismo espacio, por lo

tanto aumentar el volumen de operación permitirá producir más explantes (Juárez et

al., 2011).

Existe la problemática de diseñar y construir un biorreactor de inmersión

temporal que sea de bajo costo y con igual o mejor eficiencia que los prototipos

comerciales. Adquirirlos en el mercado extranjero y su alto precio son motivos por lo

que no se ha implementado esta tecnología en países en vías de desarrollo.

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Al respecto existen experiencias exitosas en otros países en la construcción de

prototipos para esta índole. Monroy y Filgueira en 2010, en la Universidad Militar de

Nueva Granada construyeron un prototipo con dos frascos gemelos para la

micropropagación de Dianthus caryophyllus “clavel” empleando frascos de vidrio

resistentes al calor y tapones de caucho perforados en los que se insertaron tubos de

vidrio; el aire se adicionó a través de una bomba de pecera controlado por

electroválvulas y un timer.

Empleando materiales de catálogo, Acuña (2009) en México, menciona el

ensamblado de dos frascos gemelos. En Chile diversos proyectos han buscado

introducir esta técnica en sus universidades y empresas agrícolas, para el caso

particular de Vaccinium corymbosum “arándano” Arencibia et al. (2013) menciona el

uso de frascos gemelos diseñados para su estudio.

Gueguim et al. (2010) construyeron un prototipo centrado en la

implementación de detalles por computadora empleado un software para el control

del proceso de fermentación de Pleurotus pulmonarius “seta ostra”. Juárez et al.

(2011) diseñaron un biorreactor de inmersión temporal neumático y otro mecánico

para la propagación de Aztekium hintonii, una cactácea en peligro de extinción, este

sistema consta de un solo tanque en ambos casos.

La experiencia de Cuba en el uso de Sistemas de inmersión temporal los llevó

a crear el sistema de frascos gemelos en el centro de Bioplantas, en reemplazo del

recipiente de inmersión temporal automatizado (RITA) creado en el CIRAD en

Francia, en este sistema se ha propagado especialmente bananos y piñas como

menciona Basail et al. (2012) donde ensaya la multiplicación del clon de banano

FHIA-18 (AAAB).

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En Nigeria, bajo el patrocinio del Ministerio Federal de Ciencia y Tecnología,

El Centro Nacional para los Recursos Genéticos y Biotecnología (NACGRAB) en

2012 construyeron un sistema completo de biorreactores de inmersión temporal de

frascos gemelos y ensayan diversas especies agrícolas. Balogun et al. en 2014, en el

mismo país, emplea una innovación en los Biorreactores de inmersión temporal de

frascos gemelos consistente en tanques rectangulares superpuestos de la marca

SETIS de la empresa BIOCHEMIE B.V.

A nivel nacional, el instituto de Biotecnología de La Universidad Nacional

Agraria La Molina (2009) cuenta con un sistema, producto de un proyecto de

propagación de Ananas comosus “piña” de la variedad Golden MD-2 financiado por

CONCYTEC en asociación con Ecosolutions S.A. La empresa in vitro Perú S.A. en

Lima comercializa un prototipo de índole cubana y el Centro Internacional de la papa

(CIP) en Lima estudia su uso para lograr producir microtubérculos como semilla

mejorada. Al margen de estas experiencias ninguno de estos sistemas son lo

suficientemente accesibles económica y técnicamente para su uso masivo,

convirtiéndose en exclusividad de quienes contratan el servicio de las instituciones

mencionadas, por lo que el presente trabajo es pionero en su construcción y difusión

técnica en nuestro país.

La piña es la tercera fruta tropical más importante en el mundo, después del

banano y los cítricos (Bartholomew et al., 2003). Previo al descubrimiento de la fruta

de piña por Cristóbal Colón en 1493 (Morrison 1963, citado por Bartholomew et al.,

2003), la fruta era ya un componente estable de los cultivos y dieta de los nativos

americanos de las tierras bajas del trópico. De acuerdo con Bartholomew et al.

(2003), la piña comestible se clasifica taxonómicamente en: Orden Bromeliales;

Familia Bromeliaceae; Subfamilia Bromelioideae; Género: Ananas; Especie:

comosus.

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6

Entre las variedades de piña comerciales de mayor demanda en el Perú están

la Criolla Selva, la Cayenna Lisa y la MD-2, cuya producción se concentra

principalmente en la selva central (provincias de Chanchamayo y Satipo); sin

embargo importantes áreas cultivadas corresponden a variedades como Samba de

Chanchamayo, Pucallpina, Roja trujillana y Motilona (Llanos, 2015).

En Poroto la variedad Roja trujillana es la más comercializada por su

resistencia al transporte y grado de acidez (CEDEPAS NORTE, 2015); además se

reportan en la zona variedades como Española, Piña Blanca, Vanila, Hawaiana,

Selvática, Ecuatoriana, y Guayana Francesa cuyos sembríos se extienden por

caseríos y anexos como Platanar, Con Con, Miñate, Dos de Mayo, Shirán, Chille y

Cambarra, entre otros (Mendoza, 2010).

Las piñas rojas presentan una pulpa de consistencia más áspera (fibrosa) y de

calidad algo inferior (alta acidez) a las piñas blancas, especialmente en zonas de

clima caluroso. Dentro de este grupo se puede mencionar a la “Roja Trujillana”. La

piña roja trujillana sembrada en Poroto y alrededores en La Libertad, hasta hace 5

años atrás, tenía una duración de 10 a 15 años de cultivo, pero en la actualidad la

duración del cultivo se ha reducido a 4 a 5 años por factores aun no definidos,

perjudicando así la producción de piña (Zavaleta, 2015).

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7

Los productores de piña de Poroto y Salpo en La Libertad frecuentemente se

abastecen de semillas de campos vecinos, teniendo graves problemas de uniformidad

en las plantaciones y proliferación de plagas y enfermedades. Por lo que es

importante realizar una limpieza de material propagativo y multiplicación mediante

cultivo in vitro para evitar esta constante contaminación (Zavaleta, 2015). Esta

actividad también permitiría establecer campos para semilla o unidades propagativas

a fin de evitar llevar a campo definitivo plantas que presentan graves problemas

sanitarios, además de seleccionar la semilla por tamaño y tipo para uniformizar cada

área de cultivo (Sotomayor, et al., 2012). De esta manera se asegura una uniformidad

de plantas en campo y por consecuencia fruta de buena calidad al momento de la

cosecha.

Al utilizar la técnica de micropropagación, mediante la aplicación del

método del SIT, en el cultivo de piña; se pretende mostrar el impacto que esta tiene,

con respecto a los métodos tradicionales de micropropagación; ya que se obtiene una

mayor tasa de multiplicación y aclimatación, así como mayores niveles de

supervivencia en condiciones de campo (Cruzat, 2009).

La ventaja de utilizar el sistema de inmersión temporal, en la

micropropagación masal en piña, es que el contacto del medio líquido, con el tejido

del explante, se realiza de manera intermitente y no permanente; evitando la

vitrificación de los explantes, generando en poco tiempo, una mayor cantidad de

material vegetativo, que mantenga su calidad. Utilizando métodos convencionales de

propagación, resultarían lentos en producir y de elevados costos de producción

(Angel y Gonzáles, 2013).

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8

En las diferentes instituciones públicas de enseñanza superior que posee el

país, existen carreras o especializaciones biotecnológicas; Genética y biotecnología

en la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Ingeniería Biotecnológica en la

Universidad Católica Santa María de Arequipa, Biotecnología en la Universidad

Nacional del Santa, además de diversos institutos y laboratorios dedicados al cultivo

de tejidos vegetales como el Instituto de Biotecnología Vegetal de la Universidad

Nacional Agraria La Molina por citar los más representativos, en la mayoría de los

casos orientadas hacia el cultivo de tejidos vegetales dada la naturaleza agrícola de

nuestro país.

Es también cierto que los procesos en los casos citados, salvo la Universidad

Nacional Agraria La Molina, no cuentan con el sistema de inmersión temporal dado

su elevado costo y el hecho que la tecnología no se encuentra difundida en nuestro

medio además que no existe información técnica suficiente para construir el sistema

o muchos de los materiales son de importación o están destinados a otros usos.

El presente trabajo tiene como objetivos, diseñar y construir un sistema de

biorrreactores de inmersión temporal neumática de bajo costo, diseñar e implementar

la automatización del sistema de biorrreactores de inmersión temporal neumática y

determinar la tasa de multiplicación de Ananas comosus var. roja trujillana en el

sistema de biorreactores de inmersión temporal. De este mismo modo a partir del

logro de los objetivos, contribuir a solucionar la falta de material propagativo para la

ampliación de la frontera agrícola en nuestro país, en especial para resolver la falta

de uso de semilla de calidad en la región La Libertad en sus distritos representativos

en este cultivo como Poroto y Shirán, y ofertar precios más competitivos en nuestra

región.

Page 17: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

9

II. MATERIAL Y MÉTODOS

2.1. OBJETO DE ESTUDIO

El sistema de biorreactores de inmersión temporal neumática

2.2. INSTRUMENTACIÓN O FUENTE DE DATOS

Se empleó como instrumentos para la toma de datos, fichas bibliográficas

para recopilar los parámetros de diseños propuestos por cada autor

consultado. Además se empleó fichas técnicas por cada producto a emplear

en la construcción del Sistema de biorreactores para poder seleecionarlos

según los parámetros establecidos.

2.3. MÉTODOS Y TÉCNICAS

2.3.1. Diseño del sistema de soporte o andamiaje (Acuña, 2009).

Se analizaron las dimensiones, material, tipo, forma y color para el

adecuado soporte de los Biorreactores.

2.3.2. Diseño del sistema de iluminación (Georgiev et al., 2014).

Se analizaron los requerimientos de luminosidad: tipo, cantidad y

periodo para mantener los niveles de crecimiento óptimos de los

cultivos.

Page 18: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

10

2.3.3. Diseño del sistema de aireación

Se analizaron los materiales, dimensiones, componentes, presión,

volumen, caudal, velocidad, periodicidad y frecuencia de inmersión

para el correcto mecanismo neumático que garantice la inmersión en

los Biorreactores según los requerimientos del cultivo basado en

Gueguim et al. (2010).

2.3.4. Diseño del sistema de filtrado

Se analizaron según Ducos et al. (2008) los filtros respecto a los tipos,

dimensiones, material, porosidad, eficiencia, durabilidad y acople para

garantizar la esterilidad en el proceso de cultivo en los Biorreactores.

2.3.5. Diseño de los tanques o contenedores (Arencibia et al., 2013 y Muñoz

et al., 2009).

Se analizaron los tanques respecto al volumen, forma, dimensiones,

material, durabilidad, resistencia al autoclavado y transparencia para

el ensamblado de los Biorreactores basado en

2.3.6. Diseño del sistema de control y automatización (Juárez et al., 2011).

Se analizaron los tiempos de apertura y cierre del flujo de aire del

sistema de aireación, así como las combinaciones mínimas de

frecuencia y periodos de inmersión para ser seleccionados en la

programación del cultivo. El sistema de control y automatización con

estos parámetros de cultivo fueron construidos por un técnico en

automatización con los componentes adecuados, priorizando

funcionalidad y bajo costo.

Page 19: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

11

2.3.7. Pruebas de funcionamiento

Se analizaron de acuerdo a los parámetros establecidos en los

numerales 2.3.1 al 2.3.6 el buen funcionamiento de los componentes

para el correcto desempeño del sistema de biorreactores de inmersión

temporal neumática y corrigieron las fallas encontradas.

2.3.8. Pruebas de micropropagación de Ananas comosus var. roja trujillana

Una vez determinada la operatividad del sistema de biorreactores se

procedió a una prueba de micropropagación con la especie conocida

como “piña” en la variedad mencionada. Las vitro-plantas o hijuelos

(yemas con protocormo) introducidos en los biorreactores fueron

proporcionados por el Laboratorio de Biotecnología Vegetal de la

Escuela Académico Profesional de Agronomía, en un total de 90

hijuelos que fueron incubados en tres biorreactores para la prueba

de eficiencia. Para ello se empleó como medio de cultivo el

propuesto por el laboratorio de Biotecnología, el cual es una

modificación del medio de Murashige y Skoog (1962) que se detalla

en la tabla 1, no sólo el trabajo de construcción de este sistema es

pionero en nuestro país sino también el cultivo in vitro de la piña

roja trujillana, que no había sido introducida antes en un laboratorio

para el cultivo de tejidos ni existen publicaciones de ello todavía

hasta el término de este trabajo de investigación.

Para la introducción de los explantes en los biorreactores se empleó

una cabina de flujo laminar. En donde se seccionó el material

parental por hijuelos, se introdujeron 30 hijuelos por biorreactor

previamente autoclavado y conectó al sistema de aireación para su

incubación por inmersión temporal.

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2.3.9. Determinación de la tasa de multiplicación del cultivo

A los treinta días después de incubados los hijuelos, se determinó la

tasa de multiplicación (TM) expresada en una razón del número

promedio de material obtenido de hijuelos o unidades propagativas

por biorreactor (NHF) entre el número de material parental

sembrado (NHI):

TM = NHF / NHI

Ecuación 1. Tasa de multiplicación

Estos resultados fueron comparados con la literatura científica al respecto para

determinar las diferencias entre los sistemas de biorreactores.

Page 21: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

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III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Diseño del sistema de soporte o andamiaje

Se analizaron las dimensiones, material, tipo, forma y color para el

adecuado soporte de los biorreactores a partir de Acuña (2009).

Obteniéndose que:

a. Material: Los materiales más empleados son el aluminio, madera y plástico.

Analizando las ventajas y desventajas de cada uno se prefirió el plástico que

presenta buena durabilidad similar al aluminio sólo que sin oxidarse, no es

susceptible al ataque de plagas como si lo es la madera y se puede adquirir en

el comercio local en forma modular.

b. Tipo: Los tipos predominantes son los sistemas de soporte compacto y

modular, se prefirió optar por el sistema modular porque facilita su

ensamblado y desensamblado así como su manipulación y transporte.

c. Forma: Las formas estructurales más empleadas son cuadradas y

rectangulares, se emplean las formas cuadradas para mayor resistencia, como

no se requirió mayor resistencia de carga siendo los elementos que soportó

son en su mayoría de plástico se optó por una forma rectangular cuya altura

fue mayor que el ancho.

d. Color: Se seleccionó el color blanco que refracta la luz lo que permite una

mayor eficiencia lumínica y regula la temperatura sin calentarse demasiado

respecto a otros colores.

Page 22: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

14

e. Dimensiones: La altura de los contenedores más grandes a probar fue de 25

cm, a esta medida se le sumó la altura de los filtros que fue de 10 cm; se

determinó que la altura mínima de cada nivel fue 35 cm y el ancho del mismo

de 45 cm a partir del ancho de los contenedores más cinco centímetros

adicionales de separación entre los mismos, la altura total del andamio y el

número de niveles dependió de la disponibilidad de andamios en el mercado

que cumplan las dimensiones por nivel antes especificadas.

Se adquirió un estante de tres niveles de 160 cm de altura y 90 cm de ancho,

donde cada nivel tenía 45 cm de ancho y 40 cm de alto.

Fig. 1. Estante de tres niveles para el sistema de soporte de los biorreactores de

inmersión temporal neumática.

Page 23: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

15

3.2. Diseño del sistema de iluminación

Se analizaron los requerimientos de luminosidad: tipo, cantidad y periodo

para mantener los niveles de crecimiento óptimos de los cultivos

(Georgiev et al., 2014).

a. Tipo de luz: Con respecto al tipo de luz dependiendo de la bombilla

eléctrica esta puede ser incandescente, fluorescente o LED. Se eligió

el tipo fluorescente ya que su emisión corresponde a luz blanca fría

que se asemeja a la luz natural bajo la cual crecen las plantas.

Adicionalmente el tipo de fluorescente elegido fue de tubo horizontal

de 65 cm de longitud basado en las dimensiones del estante.

b. Cantidad de luz: Según Mejía y Vittorelli (1988), los niveles de

iluminación oscilan entre 1000 y 4000 Lux. Esto se logró colocando

tubos fluorescentes blancos (40W) a una altura de 10-20 pulgadas

sobre los cultivos.

c. Fotoperiodo: El fotoperiodo empleado para los cultivos in vitro de

plantas es por lo general 16 horas de luz y 8 horas de oscuridad. Como

los autores revisados no especifican este parámetro el fotoperiodo fue

diseñado para ser controlado con un timer digital que permite su

control y cambio según criterio del especialista.

La instalación del sistema de iluminación en el estante fue en paralelo, empleando

cable mellizo número 14, con un tubo fluorescente e interruptor por cada nivel, al

final de la conexión se instaló un temporizador digital 555 que programa el

encendido y apagado de las luces según el requerimiento del cultivo.

Page 24: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

16

Fig. 2. Timer digital programable 555 de 8 tiempos de encendido y apagado para el

control de paso de corriente en los fluorescentes.

Fig. 3. Fluorescente tubular de 40 watts de luz blanca fría

Page 25: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

17

3.3. Diseño del sistema de aireación

Se analizaron los materiales, dimensiones, componentes, presión, volumen,

caudal, velocidad, periodicidad y frecuencia de inmersión para el correcto

mecanismo neumático que garantice la inmersión en los Biorreactores según

los requerimientos del cultivo basado en Gueguim et al. (2010).

Gueguim et al. (2010), emplearon un compresor de aire AS9 280 (Ningbo

Haosheng Pneumatic Machinery Ltd) en cual entregaba un caudal de 10 L

por minuto y tranfería 3000 mL de medio en 20 segundos empleando 10

frascos gemelos (biorreactores) de 950 mL de capacidad.

Basail et al.(2012) emplearon una presión de aire de 2.0 atm (0.202 MPa)

proveniente de un compresor la cual fue regulada por un manómetro, no

menciona a cuanto fue regulado pero empleo tanques de 10 L de capacidad

y adicionó 2 L de medio de cultivo.

Para el dimensionamiento del compresor se calculó las pérdidas por fricción

en las tuberías y accesorios empleando la ecuación de Darcy-Weisbach y la

fórmula de Colebrook-White automatizadas en una hoja de cálculo, según

Mataix (1982) y Saldarriaga (1998) (Anexo 2).

Luego del dimesionamiento del compresor, se optó por un compresor de

aire libre de aceite de la marca Werken de 116 L/min de capacidad a una

presión máxima de 0.8 MPa., que comprirmió el aire y lo entregó a presión

para alimentar los biorreactores.

Page 26: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

18

El sistema transfiere desde 500 mL de medio de cultivo en 10 segundos hasta 6 litros

de medio de cultivo cuando se emplearon los 12 frascos gemelos (biorreactores) en

20 segundos a un caudal de compresor de 116 L por minuto.

Fig. 4. Compresor de aire de 0.8 MPa

Este aire comprimido se distribuyó a los biorreactores a través de una red de tuberías

de media pulgada cuyo flujo está regulado por llaves de paso al inicio y final de cada

nivel, cuyos terminales en cada nivel son en total de ocho y su diámetro de 10 mm.

Page 27: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

19

Figura 5. Tuberías, llaves de paso y terminales del sistema de aireación

3.4. Diseño del sistema de filtrado

Se analizaron según Ducos et al. (2008) los filtros respecto a los tipos,

dimensiones, material, porosidad, eficiencia, durabilidad y acople para

garantizar la esterilidad en el proceso de cultivo en los Biorreactores.

Basail et al.(2012) usaron filtros hidrofóbicos de 0.22 µm, MIDISTART

2000, de la compañía SARTORIUS para garantizar la esterilidad del aire.

Se optó por los filtros de venteo de membrana de PTFE

(politetrafluoroetileno) sobre soporte de polipropileno, autoclavable, marca

Acro 50 de la corporación PALL ideal para la filtración de gases. La

propiedad principal de este material es que es prácticamente inerte, no

reacciona con otras sustancias químicas excepto en situaciones muy

especiales. Esto se debe básicamente a la protección de los átomos de flúor

sobre la cadena carbonada.

Page 28: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

20

Estos filtros tienen un muy bajo coeficiente de rozamiento y gran

impermeabilidad, manteniendo además sus cualidades en ambientes

húmedos. El acpople es rugulable ya que entrega dimensiones en una

entrada cónica progresiva con crestas, desde 5mm hasta 10 mm.

Fig. 6. Filtro de venteo Acro 50 de 0.22 µm de poro

Estos filtros fueron conectados entre los biorreactores y las salidas del sistema de

aireación mediante manguera de silicona autoclavable de 10 mm de ancho.

Page 29: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

21

Fig. 7. Manguera de silicona autoclavable de 10 mm de diámetro

3.5. Diseño de los tanques o contenedores

El contenedor más adecuado deberá ser de plástico claro, traslúcido y autoclavable,

preferiblemente de boca ancha (Acuña, 2009). Existen diversos materiales en el

mercado como el Carboy, Policarbonato y Boro-Silicato (vidrio). Estas botellas

tienen como aditivo aparte tapas ventiladas con adaptadores para conectarlas con

manguera de silicón autoclavable; así mismo se reportan envases de este tipo de

varios volúmenes desde 250 ml hasta 10 L (Arencibia et al., 2013; Muñoz et al.,

2009). Según Basail et al. (2012), los contenedores son frascos de cultivo tipo

clearboys (Compañá Nalgene, E.U.A.) de 10 L.

En nuestro país estos productos no son comunes y son importados en las marcas

Tygon y Nalgene por citar algunas de ellas, siguiendo los parámetros detallados por

los autores antes citados, se buscó en el mercado local envases plásticos cuya

etiqueta de fabricación prometía resistencia al calor, estos envases fueron sometidos

al autoclave para evaluar su resistencia, encontrándose sólo un tipo de ellos que

aprobó el test, de la marca PLASTIOLED de 2 L de capacidad, traslúcido.

Page 30: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

22

Figura 8. Contenedor de plástico resistente al calor de 2 L de capacidad

Dichos contenedores si bien es cierto soportan el autoclavado, la tapa no presentaba

ninguna conexión hermética para la entrada y salida del aire filtrado, estas

conexiones se adicionaron empleando conectores de riego de 10 mm, perforando en

la tapa dos orificios con la ayuda de un taladro con una broca de 16 mm.

Figura 9. Conector de riego de 10 mm de diámetro

Page 31: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

23

Una vez construidos los contenedores o biorreactores se realizó una prueba de

funcionamiento empleando aire a presión. El detalle del mecanismo se explica en la

figura 10.

Figura 10. Principios de operación del Sistema de Frascos Gemelos (Georgiev et al.,

2014)

(A) Periodo de exposición. Todo el volumen del medio líquido se encuentra en el

tanque de almacenamiento del medio. Las conexiones de ambos recipientes están

cerradas y las válvulas de solenoide se abren a la atmósfera; (B) Traslación del

medio de cultivo líquido de la cámara con explantes al tanque de almacenamiento.

La línea de aire de la cámara de cultivo se abre, y la línea de aire se cierra en el

tanque de almacenamiento de medio, la sobrepresión mueve el medio de un tanque a

otro; (C) Período de inmersión. Los propágulos se sumergen en el medio líquido. El

Page 32: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

24

tanque de almacenamiento del medio está vacío. Las líneas de aire para ambos

recipientes están cerradas y las válvulas de solenoide se abren a la atmósfera; (D) que

drena el medio nutritivo de nuevo a el tanque de medio de cultivo. La línea de aire de

la cámara de cultivo se abre, mientras que la línea de aire del tanque de

almacenamiento de medio está cerrada. El exceso de presión se mueve hacia el

tanque de almacenamiento.

3.6. Diseño del sistema de control y automatización

A partir de lo mencionado por Gueguim et al. (2010), acerca de las variables

de control en la automatización, se tomaron las siguientes, con sus

respectivos parámetros:

a) Duración del proceso de propagación: es el tiempo total en horas o

días que el biorreactor debe funcionar mientras se multiplica la planta. Para

esta variable se consideró dejar este periodo abierto por lo que el sistema

sólo dejará de repetir la frecuencia y duración de la inmersión por acción

humana no programada; es decir, si se desconecta de la fuente de energía

eléctrica o se desconfigura para iniciar otro cultivo o frecuencia.

b) Tiempo de inmersión: Indica el periodo de tiempo que el organismo

puede estar en contacto con el medio de cultivo. Respecto a esta variable se

escogió como tiempo fijo un minuto para la duración de cada inmersión.

Esto debido a la complejidad de ejecutar un algoritmo para el

funcionamiento del circuito de control, por ello se optó por escoger un

tiempo mínimo, al respecto Etienne et al. (1997) citado por Basail et al.

(2012) sugiere que los tiempos de inmersión deben ser cortos, gracias a ello

los explantes están cubiertos de una película de medio de cultivo líquido y

de esta forma se evita la desecación de los mismos. La resistencia a la

difusión de gases es baja y existe una mínima ruptura de intercambio

gaseoso entre los tejidos y la atmósfera interna del frasco de cultivo.

Page 33: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

25

c) Frecuencia de inmersión: Indica la ocurrencia de cada inmersión

expresada en minutos u horas. Para el sistema de control se programaron las

siguientes horas como espacio entre cada inmersión: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8

horas; de lo cual se entiende que la mayor frecuencia por día es de

aproximadamente 24 veces por día y la mínima de tres veces.

d) Duración de la aireación: Indica el tiempo en que se proporciona

oxígeno disuelto en el medio de cultivo, en este tiempo el aire entregado por

compresión al sistema es suficiente para trasladar el medio de cultivo de un

envase a otro, se determinó a partir del funcionamiento del sistema de

biorreactores completo en tres repeticiones, que el tiempo mínimo promedio

para ejecutar este proceso de traslación fue de diez segundos para el sistema

de 12 frascos gemelos de 2 L de capacidad y 1/2 L de medio de cultivo por

sistema de frascos gemelos (2 frascos).

El circuito temporizador se diseñó para entregar aire comprimido en base a

este tiempo mínimo y se programaron periodos de aireación de: 10, 20, 30,

40, 50, 60, 70 y 80 segundos respectivamente.

Todos los parámetros antes mencionados fueron controlados mediante un circuito

temporizador fabricado para accionar el compresor y cuatro electroválvulas,

dispuestas dos en las entradas y dos en las salidas de las tuberías del sistema de

aireación.

Page 34: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

26

Fig. 11. Sistema de biorreactores de Inmersión temporal neumática ensamblado y en

funcionamiento.

3.7. Pruebas de funcionamiento

Se analizaron de acuerdo a los parámetros establecidos en los numerales

2.3.1 al 2.3.6 el adecuado funcionamiento de los componentes para el

correcto desempeño del sistema de Biorreactores de inmersión temporal

neumática y corregieron las fallas encontradas.

Page 35: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

27

3.8. Pruebas de cultivo de Ananas comosus var. roja trujillana

Una vez determinada la operatividad del sistema de biorreactores se

procedió a pruebas de cultivo con la especie conocida como “piña” en la

variedad mencionada. Los hijuelos introducidos fueron proporcionados

por el laboratorio de biotecnología vegetal de la Escuela Académico

Profesional de Agronomía de la Universidad Nacional de Trujillo en un

total de 90 hijuelos o unidades propagativas provenientes de un subcultivo

en frascos en medio líquido los cuales fueron incubados en tres

biorreactores (30 hijuelos por biorreactor) para la prueba de eficiencia.

Para ello se empleó como medio de cultivo el propuesto por Murashige y

Skoog (1962), que se expresa en la siguiente tabla.

Tabla 1. Composición del medio de cultivo a utilizar en la multiplicación de

Ananas comosus en la prueba de Biorreactores

Sales de macronutrientes (mg·L-1) Sales de micronutrientes (mg·L-1)

NH4NO3 1650 KI 0.83

KNO3 1900 H3BO3 6.2

CaCl2·2H2O 440 MnSO4·4H2O 22.3

MgSO4·7H2O 370 ZnSO4·7H2O 8.6

KH2PO4 170 Na2MoO4·2H2O 0.25

CuSO4·5H2O 0.025

CoCl2·6H2O 0.025

Na2·EDTA 37.3

FeSO4·7H2O 27.8

Page 36: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

28

Vitaminas:

1. Ácido nicotínico 5 mg·L-1

2. Tiamina hidrocloruro 5 mg·L-1

3. Piridoxina hidrocloruro 1 mg·L-1

Otros componentes

Mio-inositol 1 g·L-1

Sacarosa 3 %

BAP

ANA

Dicho medio básico se suplementó con las vitaminas MS, que estuvieron

preparadas en disoluciones concentradas stock y adicionalmente con sacarosa

como fuente carbonada y con los reguladores de crecimiento ácido naftalen acético

(ANA) y bencil amino purina (BAP) a una concentración en ambos casos de 2

mg·L-1.

Para la introducción de los explantes en los Biorreactores se empleó una cabina de

flujo laminar, se seccionó el material parental por hijuelos, se introdujeron 15

hijuelos por biorreactor previamente autoclavado y conectó al sistema de aireación

para su incubación por inmersión temporal.

Page 37: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

29

Fig. 12. Biorreactores instalados en el sistema de aireación e iluminación

3.9. Determinación de la tasa de multiplicación del cultivo

A los treinta días después de incubados los hijuelos, se determinó la tasa

de multiplicación (TM) expresada en una razón del número promedio de

material obtenido de hijuelos o unidades propagativas por biorreactor

(NHF) entre el número de material parental sembrado (NHI):

TM = 195 / 30 = 6.5

Page 38: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

30

Fig. 13. Unidades propagativas obtenidas en un biorreactor a los 30 días después

de la siembra.

Tabla 2. Biomasa promedio de plántulas in vitro de piña, obtenida en el biorreactor

DÍA BIOMASA (g) N° UNID. PROPAGATIVAS

1 35 30

15 62 60

30 120 195

TASA DE MULTIPLICACIÓN 6.5

Page 39: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

31

Fig. 14. Evolución de la acumulación de biomasa de plántulas in vitro de piña,

obtenidas en el biorreactor hasta los treinta días.

Bajo el sistema convencional de recipientes de vidrio de 200 mL se obtienen de 2 a 3

yemas por cada hijuelo cultivado, de ello se contrasta el aumento considerable de la

tasa de multiplicación en el biorreactor.

Fig. 15. Plántulas obtenidas en frascos en el sistema tradicional

y = 0.0764x2 + 0.564x + 34.36

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 35

gram

os

de

bio

mas

a

días

Page 40: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

32

Como se mencionó anteriormente, el empleo de medio de cultivo liquido en las

diferentes etapas de la micropropagación favorece el desarrollo de explantes y tal

como se reportó para diferentes especies vegetales existen incrementos significativos

de la tasa de proliferación (Bermúdez et al., citado por Albarracín 2012).

Llanos (2015) en el Sistema Automatizado de Inmersión Temporal (biorreactores)

aplicó frecuencias de inmersión de 3 min cada 3 horas por un periodo de seis a ocho

meses, para Ángel y Gonzáles (2013) en la fase de multiplicación, determinaron que

al utilizar el Sistema de Inmersión Temporal con un tiempo de 5 minutos de

inmersión, cada 2 horas, generó la mayor cantidad de brotes de piña variedad

Golden. A diferencia del presente trabajo donde se sometió a periodos de inmersión

de 1 minuto cada 8 horas.

Llanos (2015) incubó los biorreactores a una temperatura de 25 – 30°C, con un

fotoperiodo de 11 o 12 horas diarias bajo luz blanca fluorescente que junto con el

medio seleccionado de concentraciones BAP (2,1 mg L -1) - ANA (0,3 mgL-1)

adicionados al medio de Murashige y Skoog (1962), por presentar un índice de

multiplicación mayor dio lugar a una tasa de multiplicación de 11; mientras que

Newton et al., suplementaron el medio de Murashige y Skoog (1962) con BAP (1 mg

L -1) - ANA (0,25 mgL-1), en este trabajo con luz constante y un medio con la

combinación de concentraciones BAP (2 mg L -1) - ANA (2 mgL-1) y en un periodo

de 1 mes se obtuvo una tasa de multiplicación de 6.5 tabla 2, fig. 13 y fig. 14), es

primordial resaltar que las unidades propagativas (hijuelos) obtenidas tenían en

promedio 2 cm de largo, con un periodo mayor de incubación habrían seguido

desarrollándose, las diferencias pueden deberse además del tiempo de incubación a

un mayor contenido de ANA en este trabajo con respecto a Llanos (2015).

Page 41: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

33

Para Sepea y Sagawa, citados por García y Serrano (2005) la adición de reguladores

y sus concentraciones son muy importantes, ellos lograron obtener alrededor de 5000

plantas a partir de un solo explante con medio liquido Murashige y skoog (MS)

adicionado con agua de coco y transferidos a BAP para formar brotes axilares

capaces de enraizar.

En cuanto al volumen de medio de cultivo empleado en este caso fue de 500 mL por

contenedor de 2 L, al respecto Escalona et al., citado por Berthouly y Etienne (2005),

demostrarón de manera similar con piña que un volumen de medio de cultivo óptimo

para la proliferación de brotes, que se estimó es 200 ml por explante para esa especie.

En este caso, volúmenes más grandes también condujo a una caída en la tasa de

proliferación.

En sistemas de inmersión temporal de cultivo con tejido, es evidente que el tiempo

de inmersión es muy importante, puesto que regula la absorción de nutrientes y

expresión de hiperhidricidad (Ángel y Gonzáles, 2013). Los tiempos de inmersión

utilizados para diferentes trabajos varían considerablemente; esto es probablemente

debido a la gran variedad de especies, procesos y sistemas de micropropagación de

inmersión temporal utilizado. Los largos tiempos de inmersión (1 h cada 6 h)

demuestran ser eficaces para la tuberización de papa, mientras que los cortos tiempos

de inmersión (1 min cada 12 h) estimulan la producción de embriones somáticos más

en el café y el caucho (Berthouly y Etienne, 2005).

La frecuencia de inmersión de este ensayo fue de cada 8 horas (3 veces por día)

Estudios realizados por González (2003) demuestran que el efecto de la frecuencia

de inmersión en el desarrollo de brotes puede explicarse por la disponibilidad de los

nutrientes y ello a la vez explique la tasa de multiplicación obtenida.

Page 42: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

34

Salisbury, citado por González (2003), indica que utilizar una mayor frecuencia de

inmersión puede presentar efectos como una baja en la concentración de oxígeno. El

choque osmótico sufrido por los explantes durante cada inmersión en el medio de

cultivo, posiblemente a mayor frecuencia los tejidos sufran un nivel de estrés que

afecte la respuesta del explante (Maya, citado por González 2003).

La aireación es uno de los factores más influyentes sobre la propagación in vitro

mediante sistemas de inmersión temporal. En primer lugar debido al ingreso del flujo

de aire a los envases del SIT se acciona el mecanismo de cada ciclo de inmersión que

eventualmente mantendrá a los explantes en contacto con el medio de cultivo líquido.

Ziv, citado por Albarracín (2012), señala que el empleo de biorreactores con

levantamiento de aire presenta un aumento en la proliferación de yemas

meristematicas y una reducción de los cortes de los tejidos siendo este el resultado

deseado al propagar plántulas mediante SIT. Los autores consultados no refieren

caudales entregados de aire a presión en el sistema, para este ensayo se empleó un

caudal de compresor de 116 L/min (Fig. 4) que al dividirse en cada una de las doce

conexiones para cada biorreactor, se entrega 9.666 litros de aire por minuto a 0.066

MPa de presión aproximadamente ya que las pérdidas en la tubería y accesorios por

ser muy cortos son casi despreciables.

Page 43: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

35

IV. CONCLUSIONES

Se diseñó y construyó un sistema de biorrreactores de inmersión

temporal neumática con 24 tanques de 2 L cada uno para la

micropropagación de plantas de piña.

Se diseñó e implementó la automatización del sistema de

biorrreactores de inmersión temporal neumática mediante un

circuito temporizador que controló los mecanismos neumáticos de

electroválvulas y compresor de aire.

La tasa de multiplicación de Ananas comosus var. roja trujillana en

un sistema de biorrreactores de inmersión temporal neumática, fue

de 6.5 plántulas por cada yema incubada.

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36

V. RECOMENDACIONES

Continuar con los ensayos del Sistema de Biorreactores de Inmersión

Temporal Neumática para ajustar los parámetros de cultivo, como

fotoperiodo, tiempo de inmersión y frecuencia de inmersión en el cultivo

de la piña para generar y optimizar el protocolo de su cultivo in vitro.

Ensayar otras especies en el Sistema de Biorreactores de Inmersión

Temporal Neumática para comparar su eficiencia en la multiplicación

masiva de especies de interés económico en nuestro país como el banano,

la estevia y el arándano.

Producir el prototipo en su forma comercial para el desarrollo en

investigación de la universidad, instituciones involucradas en el área

agrícola y la comunidad para garantizar la seguridad alimentaria y

económica, así como la disposición de material propagativo durante la

expasión agrícola que afronta nuestro país gracias a la exportación.

Page 45: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

37

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Acuña, R. (2009). Cómo fabricar un biorreactor artesanal para la macropropagación

de brotes organogénicos de tejidos vegetales con componentes de catálogo.

Tecnología en Marcha. Costa Rica, 17 (1) 92-96 p.

Albarracín, C. (2012). Evaluación de la eficiencia de un sistema de inmersión

temporal frente al método de propagación convencional en la multiplicación in vitro

de cilantro cimarrón (Eryngium foetidum) a partir de hojas, yemas y segmentos

nodales. Tesis Ing. Biotecnología. Sangolquí, EC, 203 p.

Angel J. y Gonzales J. (2013). Evaluación de dos métodos de micropropagación

masal en piña (Ananas comosus L. Merr.) variedad golden. Tesis para optar el título

de Ingeniero Agrónomo, Universidad del Salvador, San Salvador 86 p.

Arencibia, A., Vergara, C., Quiroz, K., Carrasco, B. (2013). Establishment of

photomixotrophic cultures for raspberry micropropagation in Temporary Inmersion

Bioreactors (TIBs). Scientia Horticulturae, Estados Unidos, 49-53 p.

Arencibia, A., Vergara, C., Quiroz, K., Carrasco, B., Bravo, C., García, R. ( 2013).

An approach for micropropagation of blueberry (Vaccinium corymbosum L.) plants

mediated by Temporay Inmersion Bioreactors (TIBs). American Journal of Plant

Sciences, Estados Unidos, 4: 1022-1028 p.

Balogun, M., Maroya, N., Asiedu, R., Taiwo, J. (2014). Novelty, rapidity and quality

in seed yam production: the case of Temporary Inmersion Bioreactors. YIIFSWA

Working Paper Series, Nigeria, 6-10 p.

Page 46: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

38

Bartholomew, D.; Paull, R.; Rohrbach, K. (eds). (2003). The pineapple: botany,

production and uses. New York, US, CAB International. 301 p.

Basail, M., Medero, V., Ventura, J., Otero, E., Torres, M., López, J., Cabrera, M.,

Santos, A., Rayas, A., Bauta, M., Beovidez, Y. (2012). Multiplicación del clon de

banano FHIA-18 (AAAB) en Sistema de Inmersión Temporal. Revista Colombiana

Biotecnología, XIV (1): 8-19 p.

Berthouly M; Etienne H. (2005). Temporaly inmersión system: a new concept for

use liquid medium in mass propagation. Eds. AK Hvoslef-Eide; W Preil. Francia,

CIRAD AMIS, 165-195 p.

Castro, D. (2001). Propagación mixotrófica de Eucaliptus grandis Hill ex Maidem

em biorreactores de inmersión temporal. Tesis Doctor en Ciencias Agrícolas.

Universidad de Ciego de Ávila. Cuba, 89 p.

Centro Ecuménico de Promoción y Acción Social Norte (CEDEPAS NORTE).

Producción de piña roja trujillana (Entrevista). Trujillo, (Comunicación personal) 2

de febrero de 2016.

Cruzat, G. (2009). Resultados y lecciones en sistema de inmersión temporal en

especies anuales, frutales y vides. Chile. Ograma Ltda. 8-10 p.

De Feria, M., Jiménez, E., Chávez, M. (1998). Influencia de la densidad de inóculo y

la renovación del medio de cultivo en la propagación in vitro de la caña de azúcar

(Saccharum officinarum) utilizando sistema de inmersión temporal. III Encuentro

Page 47: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

39

Latinoaméricano de Biotecnología Vegetal. REBIO’98. 1-5 Junio, La Habana, Cuba.

Libro de Resúmenes, 42 p.

Ducos, J., Terrier, B., Courtois, D., Pétiard, V. (2008). Improvement of plastic-based

disposable bioreactors for plant science needs. Phytochem Rev., Francia, 7: 607-613

p.

García, M. y Serrano H.( 2005). La piña, Ananas comosus (L.) Merr.

(Bromeliaceae), algo más que un fruto dulce y jugoso. Contactos. 56: 55-61 p.

Georgiev, V., Schumann, A., Pavlov, A., Bley, T. (2014). Temporary inmertion

systems in plant biotechnology. Engieering in life sciences, Estados Unidos, 14: 607-

621 p.

Gobierno Regional La Libertad. (2012). Estadisticas Agropecuarias Agrícola 2010-

2011. (Consultado 28 Ago 2015 a las 5:30 pm). Disponible en

http://www.agrolalibertad.gob.pe/?q=node/34

González, K. (2003). Respuesta de tres explantes de vainilla (Vanilla planifolia) a

diferentes frecuencias de inmersión temporal. Tesis. Bach. Ing. Biot. Cartago, CR.

Instituto Tecnológico de Costa Rica. 10-11 p.

Gueguim, E., Oloke, J., Lateef, A., Azanfack, R., Adeyemi, A. (2010).

Implementation details of computerized temporary inmersion bioreactor (TIB): A

fermentation case of Pleurotus pulmonarius. Biotechnol. & Biotechnol, Nigeria, 24

(4): 2149-2153 p.

Page 48: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

40

Juárez, A., Manjarrez, E., Barrón, H. (2011). Diseño de un biorreactor de inmersión

temporal para la micropropagación de Aztekium hintonii. Expociencias Nacional

México D.F. 13 p.

Llanos, C. (2015). Micropropagación in vitro de piña, Ananas comosus (L.) merr var.

MD2 (bromeliaceae) bajo un sistema de biorreactores de inmersión temporal. Tesis

para optar el título profesional de Biólogo con mención en Botánica. Universidad

Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú. 64 p.

Mataix, C. (1982). Mecánica de fluidos y máquinas hidraúlicas. México, D.F.,

Oxford, 660 p.

Mejía, R. y Vittorelli, C. (1988). Cultivo in vitro de plantas de papa. Manual de

Laboratorio - Cultivo in vitro. INIAA (Sector Agrario) 60 p.

Mendoza, P. (2010). Plan de manejo de residuos sólidos municipales del distrito de

Poroto, provincia de Trujillo - La Libertad. (Tesis) Trujillo: Universidad Nacional de

Trujillo. PostGrado en Ingeniería, 125 p.

Muñoz, M., Seemann, P., Jara, G., Riegel, R. (2009). Influence of vessel type,

physical state of medium and temporary inmertion on the micropropagation of three

Rhodophiala species. Chilean JAR 69 (4): 581-587 p.

Murashige, T.y Skoog, F. (1962). A revised medium for rapid growth and bioassays

with tobacco tissue cultures. Physilogia Plantarum, 15: 473-497 p.

Page 49: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

41

National Center for Genetic Resources and Biotechnology (NACGRAB). (2012).

The potential of Temporary Inmersion Bipreactors (TIBs) in meeting crop

production demand in Nigeria. Journal of Biology Life Science, 3 (1): 66-86 p.

Newton, S., Haruko, A., Sugitani, J., Franke, A., Rigon, M., Lorenci, A., Biasi, L. y

Soccol, C. (2009). Utilization of the biorreactor of imersion by bubbles at the

micropropagation of Ananas comosus L. Merril. Brazilian Archives of Biology and

Technology, 52(spe), 37-43 p.

Risdianto, H., Harjati, S., Niloperbowo, W. y Setiadi, T. (2007). “The Influence of

Immersion Period on Laccase Production by Marasmius sp. in A Modified

Temporary Bioreactor”, The 20th International symposium on Chemical

Engineering, Hambat National University, Daejeon, Korea.

Saldarriaga, J. (1998). Hidraúlica de tuberías. Santafé de Bogotá, Mc Graw Hill

Interamericana, 564 p.

Sotomayor J, Martínez C. Paquete tecnológico para la producción de piña en el Sur

de Sinaloa. Fundación Produce Sinaloa A.C. (revista on-line) 2012 (consultado 15

oct 2015 a las 7:30 pm); 21p. Disponible en:

http://www.fps.org.mx/divulgacion/attachments/article/812/Paquete%20tecnologico

%20para%20la%20produccion%20de%20pina%20en%20el%20sur%20de%20Sinal

oa.pdf

Zavaleta, J. (2015). Manejo agronomico de piña roja trujillana en Poroto (Entrevista).

Trujillo, (Comunicación personal), 2 de febrero de 2016.

Page 50: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

42

ANEXOS

Anexo 1. FICHA TÉCNICA DEL FILTRO DE VENTEO

Acro® 50 Vent Devices

Description

The Acro 50 vent filter is ideal for many filtration applications. The hydrophobic

PTFE membrane repels water yet allows gases to pass freely through, a feature

that makes the Acro 50 vent filter especially suited for venting applications, (i.e.

incubators, bioreactors) and in-line air and gas filtration. The Acro 50 vent filter

is compliant with OSHA standard 1910.1030 for use as a protective barrier

against bloodborne pathogens1.

In organic solvent filtration, the Acro 50 vent filter offers excellent temperature

and solvent-resistant characteristics, and will not lose its hydrophobicity while in

use. The non fiber-releasing membrane and polypropylene housing both

withstand autoclaving. It is available with a wide variety of inlet and outlet

connections to facilitate incorporation into your system.

Acro 50 vent filters are designed to connect easily to hoses of various sizes “in-

line” or as a final filter. Its hydrophobic PTFE membrane will not pass wáter

unless its water breakthrough pressure is exceeded (refer to Integrity Test

section).

Surfactants and solvents (i.e. alcohol) can be used to “wet-out” the membrane to

enable filtration of aqueous solutions. For filtration of other non-aqueous

solutions,

these filters are manufactured with PTFE membranes and polypropylene housing.

Both are chemically resistant to a wide variety of solvents.

Page 51: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

43

Certification

Pall Life Sciences certifies that this lot meets or exceeds the following

specifications.

Specifications

Materials of Construction

Filter Media: PTFE on a polypropylene support

Filter Diameter

50 mm

Effective Filtration Area

19.6 cm2

Typical Air Flow Rates

0.2 μm 18 Lpm at 0.2 bar (20 kPa, 3 psi)

0.45 μm 12 Lpm at 0.2 bar (20 kPa, 3 psi)

1 μm 15 Lpm at 0.2 bar (20 kPa, 3 psi)

Maximum Operating Temperature

130 °C (266 °F) at 1.0 bar (100 kPa, 15 psi)

Maximum Operating Pressure

4.1 bar (410 kPa, 60 psi) at ambient temperature

Dimensions

Overall Length: 8.2 cm (3.2 in.)

Diameter: 7.3 cm (2.9 in.)

Page 52: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

44

Inlet/Outlet Connections

Stepped hose barbs, 6.4 - 12.7 mm (1/4 - 1/2 in.) diameter. Connections have

internal taper design to accept male slip luer. The 0.2 μm pore size is available

with 1/8 in. MNPT or 3/8 in. (9.5 mm) OD straight type connections.

Biological Safety

Passes United States Pharmacopeia (USP) Biological Reactivity Test, In Vivo

<88>

Page 53: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

45

Anexo 2. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA POR FRICCIÓN EN LAS

TUBERÍAS Y ACCESORIOS DEL SISTEMA DE AIREACIÓN

Los componentes a calcular se señalan en las siguientes figuras:

Fig. 16. Partes del sistema de aireación (tuberías)

Fig. 17. Partes del sistema de aireación (biorreactores)

PORTABIGOTES

PORTALATERAL

VÁLVULA

MATRIZ

FILTROS

BIGOTES

RECIPIENTE

Page 54: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

46

Basado en Mataix (1982) y Saldarriaga (1998), para el dimensionamiento del

compresor se calculó las pérdidas por fricción en las tuberías y accesorios empleando

la ecuación de Darcy-Weisbach, que permite calcular la pérdida de carga en un tramo

longitud de tubería mediante la siguiente expresión:

donde,

Δp es la pérdida de carga medida según la altura manométrica

(m.c.a.)

L es la longitud de tramo de la tubería (m)

D es el diámetro interior de la tubería (m)

v es la velocidad del aire en el interior de la tubería (m/s)

g es la acelaración de la gravedad (9,81 m/s2)

f es el es el factor de fricción de Darcy-Weisbach.

De la anterior expresión todos los parámetros son conocidos salvo el factor de

fricción (f). En efecto, la velocidad del aire por la tubería (v) está relacionada con

el caudal o flujo de aire (Q), que es un dato conocido proveniente del consumo

necesario de cada punto de suministro.

En efecto:

Q = v · A

Donde:

Q es el caudal volumétrico o flujo de aire (m3/s)

v es la velocidad del aire en el interior de la tubería (m/s)

A es el área de la sección interna de la tubería (Π·D2 / 4) (m2)

Page 55: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

47

En las instalaciones de aire comprimido la velocidad máxima recomendada para

la circulación del aire por las tuberías está entre los 5-10 m/s, por lo que conocido

el caudal (Q) necesario para el consumo y tomando una velocidad de circulación

en ese intervalo, se obtiene de la expresión anterior el diámetro interior de la

tubería (D). Por lo tanto es el factor de fricción (f), la gran incógnita a calcular.

El factor de fricción (f), es un parámetro adimensional que depende del número de

Reynolds (Re) del fluido (en este caso, del aire) y de la rugosidad relativa de la

tubería (εr )

f= f (Re , εr ), donde el número de Reynolds (Re) viene expresado por la siguiente

formulación:

Re =

ρ · v · D

μ

Siendo:

ρ la densidad del fluido, en este caso del aire (ρaire = 1,18 kg/m3 a 25

°C)

v es la velocidad del aire en el interior de la tubería (m/s)

D es el diámetro interior de la tubería (m)

μ es viscosidad dinámica del fluido, en este caso del aire (μaire =

1,76·10-5 kg/m·s)

Por otro lado, la rugosidad relativa de la tubería (εr ) viene dada en función de la

rugosidad absoluta (K) del material del que está fabricada la tubería y de su

diámetro interior (D) de acuerdo a la siguiente expresión:

εr = K

D

Para el cálculo se empleó el valor de rugosidad absoluta de 0,0015 correspondiente al

plástico (PE, PVC).

Page 56: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

48

Por otro lado, en el transporte de fluidos por el interior de tuberías, y el aire es un

fluido, existen dos régimen: laminar y turbulento. Para cada fluido, y para una

sección de tubería, a una temperatura determinada, existe una velocidad crítica (vc)

por debajo de la cual el régimen es laminar. Este valor crítico que marca la transición

entre los dos regímenes, el laminar y el turbulento, se corresponde con un Re = 2300,

aunque en la práctica, entre 2000 y 4000 la situación es bastante imprecisa. Por lo

tanto, en función del valor del número de Reynolds (Re) se tiene que:

• Re < 2000: Régimen laminar.

• 2000 < Re < 4000: Zona crítica o de transición.

• Re > 4000: Régimen turbulento.

Este concepto es importante conocerlo, porque la expresión para calcular el factor

de fricción (f) es distinta según si el régimen es laminar o turbulento. Así se tiene

que:

• Régimen laminar

En este caso el factor de fricción (f) depende únicamente del número de Reynolds

a través de la ecuación de Poiseuille:

f =

64

Re

Expresión que resulta sencilla de aplicar para calcular el factor de fricción (f) en

función del Reynolds (Re).

• Régimen turbulento

Para el régimen turbulento este cálculo ya no es tan inmediato dado que el factor

de fricción (f) depende tanto del número de Reynolds como de la rugosidad

relativa de la tubería. En este caso el flujo es turbulento y el factor de fricción fue

calculado mediante la ecuación de Colebrook-White.

Page 57: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

49

La expresión de la fórmula de Colebrook-White (1937, 1939), es la siguiente:

Donde, es el número de Reynolds, la rugosidad relativa y el factor de

fricción. Para la obtención de lambda se empleó un método iterativo programado en

Excel versión para Windows 2010. El detalle de los cálculos se muestra a

continuación en las siguientes tablas.

A. Cálculo de la pérdida en Bigotes (x 36 unidades)

DATOS GENERALES

CARACTERÍSTICAS DEL FLUÍDO (Aire)

ρ (densidad) 1.21 Kg/m³

u (viscosidad dinámica) 0.0000180 Pa.s

v (viscosidad cinemática) 1.49E-05 m²/s

OTROS

g (gravedad) 9.81 m/s²

Ht (altura manométrrica del compresor) 81.58 m

E (error) 0.001 -

CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS

TUBERÍA

Diámetro d metros 0.01

Longitud L metros 7.2

Rugosidad absoluta Ks metros 0.0000015

Coeficiente global de pérdidas menores Km - 0.22

área A m² 0.0000785

Page 58: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

50

B. Cálculo de la pérdida en Portabigotes (x 6 piezas)

CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS

TUBERÍA

Diámetro d metros 0.025

Longitud L metros 7.2

Rugosidad absoluta Ks metros 0.0000015 PVC

Coeficiente global de pérdidas menores Km - 0.99 codo+valvula

área A m² 0.00049

PRESIÓN DE ENTRADA VELOCIDAD MEDIAPÉRDIDA DE CARGA

POR FRICCIÓNPRESION DE SALIDA CAUDAL

Ht ks/d hf v hf i+1 hm Q

m - m m/s (m) m (m³/s)

81.58 0.00015 81.580 7.7363 80.9089 0.6711 0 0.001

81.58 0.00015 80.909 7.6991 80.9153 0.6647 0 0.001

81.58 0.00015 80.915 7.6995 80.9153 0.6647 1 0.001

81.58 0.00015 80.915 7.6995 80.9153 0.6647 1 0.001

81.58 0.00015 80.915 7.6995 80.9153 0.6647 1 0.001

81.58 0.00015 80.915 7.6995 80.9153 0.6647 1 0.001

PRUEBA

PRESIÓN DE ENTRADA VELOCIDAD MEDIAPÉRDIDA DE CARGA

POR FRICCIÓNPRESION DE SALIDA CAUDAL

Ht ks/d hf v hf i+1 hm Q

m - m m/s (m) m (m³/s)

81.58 0.00006 81.580 15.0111 70.2100 11.3700 0 0.007

81.58 0.00006 70.210 13.7866 71.9893 9.5907 0 0.007

81.58 0.00006 71.989 13.9837 71.7131 9.8669 0 0.007

81.58 0.00006 71.713 13.9533 71.7560 9.8240 0 0.007

81.58 0.00006 71.756 13.9580 71.7493 9.8307 0 0.007

81.58 0.00006 71.749 13.9573 71.7504 9.8296 0 0.007

81.58 0.00006 71.750 13.9574 71.7502 9.8298 1 0.007

81.58 0.00006 71.750 13.9574 71.7502 9.8298 1 0.007

81.58 0.00006 71.750 13.9574 71.7502 9.8298 1 0.007

81.58 0.00006 71.750 13.9574 71.7502 9.8298 1 0.007

PRUEBA

Page 59: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

51

C. Cálculo de la pérdida en Portalaterales (x 4 piezas)

CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS

TUBERÍA

Diámetro d metros 0.025

Longitud L metros 4

Rugosidad absoluta Ks metros 0.0000015 PVC

Coeficiente global de pérdidas menores Km - 0.99 valvula+codo

área A m² 0.00049

D. Cálculo de pérdida en la tubería matriz de alimentación

CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS

TUBERÍA

Diámetro d metros 0.012

Longitud L metros 2

Rugosidad absoluta Ks metros 0.0000015

Coeficiente global de pérdidas menores Km - 1.3 te+codo

área A m² 0.000

PRESIÓN DE ENTRADA VELOCIDAD MEDIAPÉRDIDA DE CARGA

POR FRICCIÓNPRESION DE SALIDA CAUDAL

Ht ks/d hf v hf i+1 hm Q

m - m m/s (m) m (m³/s)

81.58 0.00006 81.580 20.9237 59.4891 22.0909 0 0.010

81.58 0.00006 59.489 17.5085 66.1121 15.4679 0 0.009

81.58 0.00006 66.112 18.5841 64.1531 17.4269 0 0.009

81.58 0.00006 64.153 18.2712 64.7351 16.8449 0 0.009

81.58 0.00006 64.735 18.3646 64.5624 17.0176 0 0.009

81.58 0.00006 64.562 18.3369 64.6137 16.9663 0 0.009

81.58 0.00006 64.614 18.3451 64.5984 16.9816 0 0.009

81.58 0.00006 64.598 18.3427 64.6030 16.9770 0 0.009

81.58 0.00006 64.603 18.3434 64.6016 16.9784 0 0.009

81.58 0.00006 64.602 18.3432 64.6020 16.9780 1 0.009

81.58 0.00006 64.602 18.3433 64.6019 16.9781 1 0.009

81.58 0.00006 64.602 18.3432 64.6019 16.9781 1 0.009

81.58 0.00006 64.602 18.3432 64.6019 16.9781 1 0.009

PRUEBA

Page 60: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

52

E. Cálculo de pérdida en los filtros de venteo (x 24 unidades)

PRESIÓN DE ENTRADA VELOCIDAD MEDIAPÉRDIDA DE CARGA

POR FRICCIÓNPRESION DE SALIDA CAUDAL

Ht ks/d hf v hf i+1 hm Q

m - m m/s (m) m (m³/s)

81.58 0.000125 81.580 18.4722 58.9710 22.6090 0 0.002

81.58 0.000125 58.971 15.3450 65.9780 15.6020 0 0.002

81.58 0.000125 65.978 16.3631 63.8390 17.7410 0 0.002

81.58 0.000125 63.839 16.0576 64.4954 17.0846 0 0.002

81.58 0.000125 64.495 16.1518 64.2943 17.2857 0 0.002

81.58 0.000125 64.294 16.1230 64.3559 17.2241 0 0.002

81.58 0.000125 64.356 16.1318 64.3370 17.2430 0 0.002

81.58 0.000125 64.337 16.1291 64.3428 17.2372 0 0.002

81.58 0.000125 64.343 16.1300 64.3410 17.2390 0 0.002

81.58 0.000125 64.341 16.1297 64.3416 17.2384 1 0.002

81.58 0.000125 64.342 16.1298 64.3414 17.2386 1 0.002

81.58 0.000125 64.341 16.1298 64.3415 17.2385 1 0.002

81.58 0.000125 64.341 16.1298 64.3415 17.2385 1 0.002

PRUEBA

Ht ks/d hf v hf i+1 hm Q

m - m m/s (m) m (m³/s)

81.58 0.00012 81.580 11.5216 72.7843 8.7957 0 0.001

81.58 0.00012 72.784 10.7892 73.8670 7.7130 0 0.001

81.58 0.00012 73.867 10.8814 73.7346 7.8454 0 0.001

81.58 0.00012 73.735 10.8702 73.7508 7.8292 0 0.001

81.58 0.00012 73.751 10.8715 73.7488 7.8312 0 0.001

81.58 0.00012 73.749 10.8714 73.7491 7.8309 1 0.001

81.58 0.00012 73.749 10.8714 73.7491 7.8309 1 0.001

81.58 0.00012 73.749 10.8714 73.7491 7.8309 1 0.001

81.58 0.00012 73.749 10.8714 73.7491 7.8309 1 0.001

PRUEBA

CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS

TUBERÍA

Diámetro d metros 0.0125

Longitud L metros 4.8

Rugosidad absoluta Ks metros 0.0000015

Coeficiente global de pérdidas menores Km - 1.3 ensanchamiento y membrana

área A m² 0.000

Page 61: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES DE …

53

F. Cálculo de pérdida en los tanques-biorreactores (x24 unidades)

CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS

TUBERÍA

Diámetro d metros 0.12

Longitud L metros 3.84

Rugosidad absoluta Ks metros 0.0000015

Coeficiente global de pérdidas menores Km - 0.22

área A m² 0.011

G. Cálculo de las pérdidas totales en el sistema

Pérdidas totales de carga por fricción

COMPONENTE hm (altura manométrica) Presión (Mpa) bigotes x 36 0.6647 0.01

portabigotes x 6 9.8298 0.1 portalateral x 4 16.978 0.17

matriz 17.23 0.17 filtros x 24 7.83 0.08

tanques 26.98 0.26 total pérdidas 79.5125 0.79

entrega compresor 81.58 0.8

PRESIÓN DE ENTRADA VELOCIDAD MEDIAPÉRDIDA DE CARGA

POR FRICCIÓNPRESION DE SALIDA CAUDAL

Ht ks/d hf v hf i+1 hm Q

m - m m/s (m) m (m³/s)

81.58 0.0000125 81.580 61.1211 39.6904 41.8896 0 0.691

81.58 0.0000125 39.690 41.1818 62.5633 19.0167 0 0.466

81.58 0.0000125 62.563 52.8590 50.2499 31.3301 0 0.598

81.58 0.0000125 50.250 46.8756 56.9413 24.6387 0 0.530

81.58 0.0000125 56.941 50.2013 53.3212 28.2588 0 0.568

81.58 0.0000125 53.321 48.4258 55.2848 26.2952 0 0.548

81.58 0.0000125 55.285 49.3954 54.2212 27.3588 0 0.559

81.58 0.0000125 54.221 48.8722 54.7977 26.7823 0 0.553

81.58 0.0000125 54.798 49.1564 54.4853 27.0947 0 0.556

81.58 0.0000125 54.485 49.0026 54.6546 26.9254 0 0.554

81.58 0.0000125 54.655 49.0860 54.5629 27.0171 0 0.555

81.58 0.0000125 54.563 49.0408 54.6126 26.9674 0 0.555

81.58 0.0000125 54.613 49.0653 54.5857 26.9943 0 0.555

81.58 0.0000125 54.586 49.0520 54.6003 26.9797 0 0.555

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PRUEBA