Hector LopezFaustino Arciniega

Instrumentacion para el seguimiento y control de la biorreaccion.

Introducción

Los biorreactores están equipados con distintos instrumentos. Estos se utilizan para facilitar el registro y análisis de variables de operación y parámetros específicos que sirven para mantener, dentro de ciertos intervalos de valores, las condiciones de operación de la biorreaccion con fines de maximizar la productividad y garantizar el éxito de la biorreaccion.

La instrumentación ha sido definida como “una ventana al proceso” y su objetivo es mantener al mínimo la diferencia entre el valor medido y un valor deseado. El control de un parámetro particular se lleva a cabo a través de un sistema que consta de un sensor (o electrodo), un medidor y un controlador:

el sensor es un dispositivo que transforma una magnitud de una propiedad que se quiere medir, en otra que facilita su medida. El medidor recibe la medida el valor de la propiedad que emite el sensor. El controlador compara dicha medida con un valor fijo.

La señal implica usualmente la modificación del estado de una válvula, el encendido o apagado de una bomba dosificadora, la modificación de la velocidad de giro de un motor de algún equipo.

Si, por ejemplo, se hace necesario el uso de una determinada fuerza para modificar el estado de una válvula, se requerirá de un “traductor” y de un “actuador”. El transductor es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro tipo de energía, mientras que los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de energía eléctrica, gaseosa o liquida.

Los sensores pueden estar conectados directamente al biorreactor (en contacto directo con la masa liquida o solida de fermentación), en cuyo caso se dice que están “en línea”, si no están conectados directamente al biorreactor entonces se dice que están “fuera de línea”.

Debido a la naturaleza de la biorreaccion, se requiere que la gran mayoría de los “sensores en línea” reúnan, entre otros, los siguientes requisitos: i) que sean capaces de resistir el proceso térmico al que se somete el caldo de cultivo en el biorreactor (esterilización con calor húmedo): ii) que sean capaces de resistir las presiones de operación; iii) que sean de fácil calibración; iv) que tengan una adecuada vida media útil.

Estos sensores (en línea), se utilizan, básicamente, para medir propiedades físicas o variables de operación tales como temperatura, presión, intensidad de agitación o velocidad de giro de los impulsores, velocidades de flujo de líquidos y gases, y para medir ciertas propiedades químicas como pH, concentración de oxigeno disuelto y gaseoso, concentración de dióxido de carbono disuelto y en el gas, concentración de azucares disueltos, concentración de algunos productos celulares, etc.

Para conocer el estado de una variable de operación o de un parámetro especifico con sensores “fuera de línea”, se deberá tomar asépticamente una muestra para que en ella se mida la propiedad.

Entre las propiedades más comunes que se miden en un biorreactor están las siguientes:•Temperatura•pH•fuljo de aire•presión•intensidad de agitación•nivel o volumen de medio de cultivo •espuma•concentración de oxigeno disuelto•concentración celular•concentración de sustrato•concentración de producto

MEDICION Y CONTROL DE El pH es una medida de la actividad de los iones hidronico (h+) en una disolución acuosa

Para la medición y control del valor de pH, se utiliza un electrodo de vidrio colocado, en forma aséptica, en el biorreactor y que está directamente en contacto con el caldo de fermentación. El, electrodo, normalmente esterilizable, se conecta directamente a un medidor-controlador de pH, con el cual se puede establecer el valor de control (Set Point) o ajustar el valor de la lectura que proporcione el electrodo de medición.Un electrodo de pH consiste de dos celdas: un elemento sensor de pH y un elemento de referencia. El elemento sensor consiste de un alambre de plata cubierto con cloruro de plata inmerso en una solución buffer (usualmente de pH 7), en un tubo sellado que termina con un fino tubo de vidrio sensible al pH. El elemento de referencia consiste de otro alambre de plata cubierto con cloruro de plata inmerso en una solución buffer saturada de cloruro de potasio y un diafragma poroso que comunica con la sustancia a la que se medirá el pH.

Medición y control de temperatura

Aunque no existe un consejo para establecer cuál de todas las variables de operación es la más importante de mantener y controlar en una biorreaccion, la temperatura se cuenta entre las más importantes. El control, la medición precisa y adecuada de la temperatura resultan esenciales para la biorreaccion. Un sistema de medición de la temperatura debe presentar una precisión menor a los 0.5 C respecto a la temperatura de medición y en muchos casos, una variación de 1 a 1.5 C durante la biorreaccion, puede dar lugar a grandes pérdidas económicas en el bioproceso, por lo que se recomienda que la diferencia entre el valor medido y el de control se encuentre entre 0.5n y 1.5 C.

Generalmente, la temperatura en un bioproceso se mide con sensores RTD (resistance temperature devices) ya que estos son los que presentan las mejores características antes mencionadas

Generalmente se utiliza platino por sus mejores características lineales de cambio respecto a la temperatura, aunque también se utiliza níquel, cobre y aleaciones de níquel. Una desventaja es su precio moderadamente alto.

La resistencia es medida con un dispositivo y convertida por un transductor a valores de temperatura (en C o K). El valor medido de la temperatura es comparado con el de control y de la diferencia entre los valores, el controlador emitirá una señal que servirá para realizar una acción de control de la misma.

La acción puede consistir en hacer agua de enfriamiento o vapor, a través de un serpentín inmenso en el caldo de biorreaccion o a través de la “chaqueta” del biorreactor, para ajustar la temperatura al punto de control.

Para sensores RTD la relación entre la temperatura y la resistencia esta descrita por la siguiente ecuación:

Rr/Ro = 1+a [T- 1 (T-1)( T)]Ecuación en la que:Rr= resistencia a la temperatura T[=]Ro= resistencia a 0 C [=]a = una constante (0.00393 para platino)Laboratorio de Biorreactores Manual de practicasT= temperatura [=] CO= una constante (1.48 – 1.51 para Platino)Dicha ecuación aplica para intervalos de temperatura comprendidos entre 0 y 360 C.

Medición y control del oxigeno disuelto

El oxigeno disuelto es muy importante para el desarrollo de una biorreaccion aeróbica, por lo que su medición y control es un parámetro importante para el desarrollo y producción económicamente de bioproductos.

El oxigeno disuelto generalmente proviene del aire que es introducido en el fondo del caldo de biorreaccion. Una parte del oxigeno contenido en el aire se disuelve en el caldo y otra parte sale tal cual con el aire agotado. El oxigeno disuelto es el que utilizaran los microorganismo para vivir y para realizar el proceso de transformación de la materia prima a producto.

El control del oxigeno disuelto en una biorreaccion ocurre a través de la modificación del flujo de gas (aire u oxigeno puro) o de la intensidad de agitación del caldo de cultivo.

Medición y control de espuma

Cuando en el caldo de cultivo existen compuestos orgánicos, como por ejemplo proteínas y carbohidratos, generalmente se forma espuma. Esto se favorece a altos flujos de aire y alta intensidad de agitación.La formación de espuma es crítica en los biorreactores por muchas razones, las mas destacas son las siguientes:•Disminución del volumen del líquido en el interior del biorrector si la espuma sale por el evento o salida del gas agotado.•Contaminación microbiológica del bioproceso si la espuma alcanza a salir por el venteo o salida del gas agotado.•Disminución de la actividad biológica del bioproducto si posee propiedades tensoactivas y es sensible a fuerzas de torsión.Por las razones anteriores, la medición y control de la espuma es imprescindible en los Bioprocesos.

El control del volumen de la espuma se logra a través de un “rompeador mecánico” o mediante la edición controlada de un “antiespumante”. El rompeador de espuma es un impulsor, colocado generalmente por encima del caldo de cultivo, que gira a altas velocidades que al girar y estar en contacto con la espuma actúa en forma semejante a una centrifuga, impulsando a la fase pesada al fondo y dejando paras la fase ligera (el gas).

OBJETIVO

El alumno manejara los sistemas de medición y control de variables de operación de biorreactores de tanques agitados, a través de las determinaciones en línea de la temperatura, pH, oxigeno disuelto y espuma.

MATERIALES Y METODOS

Equipo:Biorreactor tipo tanque agitadoSistema de medición y control de temperaturaSistema de medición y control de pHSistema de medición y control de oxigeno disueltoSistema de medición y control de espuma

El sistema de medición y control de temperatura consta de:•Sensor RTD•Cables•Medidor•Controlador•Recipiente de agua de enfriamiento con una resistencia eléctrica de inmersión•Bomba de agua de enfriamiento

El sistema de medición y control de pH consta de:•Electrodo de pH con su camisa presurizable y conectores para el biorreactor•Cables •Medidor•Controlador•Bombas de adicción de acido o álcali

En el sistema de medición y control de oxigeno disuelto consta de:•Electrodo polarografico•Cables•Medidor•Controlador

El sistema de medición y control de espuma consta de:•Electrodo•Medidor•Controlador•Bomba de adicción de antiespumante

Materiales

Tanque de nitrógeno puro con válvula de control de presión y de flujo.Vasos de precipitados de 250 mL, 500 mL y de 2000 ml.Probetas de 1000 ml.Mangueras de silicón para bombas peristálticasReactivosSolución de NaOH 0.5NSolución de HCI 0.5NAntiespumante Mazu al 10% v/v en aguaSolución proteica o un detergente