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INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE
ACAYUCAN
INGENIERA BIOQUMICA
701-B
INGENIERA DE BIORREACTORES
OPERACIONES AUXILIARES
ING. RIKA DEL CARMEN REYES GMEZ
PRESENTAN:
SANTOS OSORIO OSCAR
LEDESMA MAYORAL UZZIEL
RODRGUEZ SANTIAGO JUAN
RODRGUEZ REYES VCTOR RANGEL
15 DE DICIEMBRE DEL 2012 ACAYUCAN, VERACRUZ
UNIDAD 4
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CONTENIDO
Objetivos
..........................................................................................................................
4
Introduccin..................................................................................................................
5
4. Operaciones auxiliares
.......................................................................................
7
4.1
Esterilizacin....................................................................................................
15
4.1.1 Del medio de cultivo contino.
....................................................................
16
4.1.2 Esterilizacin del aire
...................................................................................
19
4.2 Instrumentacin y control del biorreactor
...................................................... 21
4.2.1 Sensores fsicos y qumicos
.......................................................................
22
4.2.1.1 Sensores
fsicos........................................................................................
25
4.2.1.2 Sensores quimicos
...................................................................................
27
Conclusin
..............................................................................................................
37
Bibliografa
.............................................................................................................
38
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NDICE DE FIGURAS
Figura 1. Instrumentacin de un biorreactor.
......................................................... 22
Figura 1. Instrumentacin de un biorreactor.
......................................................... 22
Figura 4.2 Componentes de termmetro de resistencia.
....................................... 26
Figura 4.3 Tipos de termistores
............................................................................
27
Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio
................................................... 28
Figura 4.5 Sensor de medicin de oxgeno disuelto
.............................................. 29
Figura 4.6
Rotmetro.............................................................................................
31
Figura 4.7 Tacometro
...........................................................................................
32
Figura 4.8 Medidor de nivel
..................................................................................
33
Figura 4.9 Medidor de presin
...............................................................................
35
Figura 4.10 Medidor de gases
..............................................................................
36
Figura 4.11 Espectrmetro de
masas...................................................................
36
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OBJETIVOS
Identificara los servicios auxiliares necesarios para la
operacin de un
biorreactor.
Describir sus componentes y explicar su funcionamiento.
Dar a conocer su aplicacin industrial.
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INTRODUCCIN
El equipo donde se realiza el proceso se denomina biorreactor o
fermentador. El
mismo provee todos los servicios que son necesarios para el
cultivo, tales como
mezclado, termostatizacin, suministro de oxgeno, entradas para
adicin de
nutrientes, control del pH, etc. Por otra parte, cuando se habla
de sistemas de
cultivo o, tambin, mtodos de cultivo, se hace referencia al modo
de operar del
biorreactor, esto es en forma continua, discontinua o
semicontinua. Para un
componente cualquiera del cultivo, incluida la biomasa, se puede
plantear el
siguiente balance de materia en el biorreactor.
Velocidad de Acumulacin = Velocidad de Ingreso Velocidad de
Salida +
Velocidad de Formacin Velocidad de Consumo
Segn sea el modo de operacin, es decir, continuo, discontinuo o
semi-continuo,
se tendrn unos trminos de la ecuacin u otros, as se plantearn
los balances
del proceso.
Para poder llevar a cabo una fermentacin con xito es
imprescindible y
obligatorio tener en todas las etapas cultivos libres de
contaminantes, desde el
cultivo preliminar hasta el fermentador de produccin. Por lo
tanto, el fermentador
y su equipamiento, as como el medio de cultivo deben estar
estriles antes de la
inoculacin. Adems, el aire que se suministra durante la
fermentacin debe ser
estril y no deben existir roturas mecnicas en el fermentador que
podran permitir
la entrada de microorganismos. Tambin se deben esterilizar los
aditivos
(antiespumantes), sin embargo los cidos y bases concentrados no
es necesario
esterilizarlos.
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Un biorreactor puede ser esterilizado, destruyendo los
microorganismos, con algn
agente letal como calor, radiacin o un producto qumico o bien
separando los
organismos viables mediante un procedimiento fsico como la
filtracin.
Durante la fermentacin se deben observar dos puntos para
asegurar la
esterilidad:
Esterilidad en el medio de cultivo
Esterilidad del aire que entra y sale
Para lo cual es necesaria una construccin apropiada del
biorreactor que facilite la
esterilizacin as como la prevencin de la contaminacin durante la
fermentacin.
La importancia de la instrumentacin de un biorreactor radica en
la necesidad de
tener en los cultivos un control que permita optimizar el
proceso. La estrategia de
control comienza con la medicin de las variables que proveen un
ambiente
adecuado en un proceso de fermentacin. El diseo y construccin de
los
elementos necesarios para el monitoreo de las variables del
biorreactor,
requirieron conocimientos de las necesidades del biorreactor y
su operacin
especfica, as como de los circuitos electrnicos involucrados en
los dispositivos
de medicin.
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4. OPERACIONES AUXILIARES
Los servicios auxiliares necesarios en la operacin de un
biorreactor incluyen aire
comprimido, diversos gases comprimidos (nitrgeno, oxgeno, etc.),
agua de
enfriamiento (agua helada y agua de torre), agua para servicios
varios, vapor de
planta y energa elctrica.
Aire:
El aire tiene varios usos en un biorreactor, entre ellos por
orden de importancia:
1. Proveer oxigeno al medio de cultivo.
2. Como fuerza motriz para la transferencia de momento y
masa.
3. Como fuerza motriz para transferir lquidos de un recipiente a
otro.
4. Para accionar instrumentacin de control de tipo neumtico.
5. Como medio de enfriamiento para los recipientes despus de
la
esterilizacin.
La eleccin de aire a utilizar del uso que se haga de l. El aire
debe ser seco y
libre de aceite. Adems, cuando se requiera que el proceso o
producto no se
afecte por la introduccin de microorganismos ajenos, contenidos
en la corriente
de aire, ser necesario que este sea estril.
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Vapor:
El vapor de planta es utilizado como el medio principal de
calentamiento en miles
de industrias, y para la generacin de energa elctrica como uso
secundario.
Adems el vapor limpio o puro se utiliza en el procesamiento de
alimentos y
medicinas, en la esterilizacin de productos y equipos, etc. Su
uso generalizado se
debe a las siguientes razones:
1. La generacin de vapor es una de las formas ms econmicas
de
generacin de energa.
2. El vapor puede controlarse de manera relativamente sencilla
debido a que
circula de una zona de alta presin a una de menor presin sin
necesidad
de otro equipo.
3. El vapor es fcil de producir, ya que se obtiene del agua que
adems puede
ser reutilizable.
Un generador de vapor o caldera es aquel que transforma el agua
en vapor
aprovechando el calor generado por la combustin de un material
combustible,
teniendo como caracterstica principal que es un recipiente
cerrado sujeto a una
presin mayor a la atmosfrica.
Existen dos tipos de generadores de vapor:
1. Generadores de tubo de agua: En estos el agua circula al
interior de una
serie de tubos (serpentn), mientras que el calor se transfiere
de la cmara
de combustin hacia el interior de los tubos, as el agua
contenida dentro de
los tubos comienza a elevar su temperatura hasta evaporarse.
Este es el
tipo ms comn.
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2. Generadores de tubo de humo: En forma totalmente opuesta, en
este tipo
de generadores los gases de combustin circulan por los tubos,
mientras
que el agua se encuentra almacenada en la cmara exterior. Asi el
calor se
transfiere del interior de los tubos hacia el agua almacenada
alrededor de
estos.
La capacidad de un generador de vapor se mide bajo un estndar
internacional
llamado Caballo Caldera el cual es equivalente a generar a 15.65
kg/h de vapor
con una temperatura de 100C a presin atmosfrica y que es
alimentado con
agua a 100C.
Las calderas generalmente vienen como paquetes en tamaos
estandarizados
que incluyen:
1. El tanque de condensados que se instala generalmente 2 m
arriba de la
bomba de alimentacin de agua al generador.
2. La bomba de agua que enva el agua a presin hacia el serpentn
del
generador.
3. El generador de vapor de tubos de agua por donde circulan en
sentido
contrario el agua y los gases de combustin, de tal manera que a
medida
que el agua avanza en su recorrido encuentra temperaturas ms
altas, por
lo que incrementa su temperatura hasta convertirse en vapor.
los
componentes bsicos del generador son:
o Serpentn
o Quemador-ventilador
o Cmara de combustin
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4. El separador de vapor en donde por medios mecnicos se provoca
el
desprendimiento de pequeas partculas de agua (humedad) que
arrastra el
vapor.
5. La trampa de vapor que desaloja los condensados removidos del
vapor y
los enva de regreso al tanque de condensados para repetir
nuevamente el
ciclo.
6. Sistemas de control y de seguridad entre los que destacan:
vlvulas de
alivio y de seguridad, manmetros, control principal de
temperatura con
termopar, interruptores del termostato, interruptor de presin de
vapor e
interruptor del nivel de aceite.
El agua que entra a una caldera requiere de un acondicionamiento
previo (ver
tabla 1) para proteger los equipos contra la incrustacin, la
corrosin y otras
complicaciones. Por eso es necesario acoplar a este un sistema
de
acondicionamiento previo del agua que generalmente incluye un
suavizador y un
tanque de salmuera
El suavizador consiste en una columna empacada con una resina
catinica
depositada sobre un lecho de grava que le sirve de soporte y a
la vez de filtro. En
la resina se lleva a cabo el intercambio de los iones calcio y
magnesio que son los
responsables de la dureza del agua por iones de sodio que
contiene la resina. El
tanque de salmuera tiene como funcin regenerar la resina a fin
de que recupere
su capacidad de intercambio inico.
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.
El sistema de distribucin de vapor se realiza por medio de
tuberas, generalmente
de acero al carbn de cdula 40, cuidando que las velocidades y
cadas de
presin estn comprendidas en los intervalos recomendados para
el
dimensionamiento de las mismas. El vapor puro requerir de
tuberas de acero
inoxidable con acabado sanitario.
En adicin al sistema de distribucin de vapor debern preverse los
sistemas de
manejo de condensados, ya que estos pueden realizarse con un
importante ahorro
en el acondicionamiento del agua de alimentacin a la caldera y
en la energa
requerida para el calentamiento de la misma hasta el punto de
ebullicin.
Agua de enfriamiento:
El agua como servicio auxiliar se utiliza como fluido de
enfriamiento para el control
de la temperatura del caldo de fermentacin en los biorreactores.
Esta agua, a
diferencia del agua de proceso, nunca entra en contacto con las
materias primas o
productos de la biorreaccin, ni con las superficies en contacto
con estos, sino que
circula a travs de las chaquetas o serpentines segn el diseo del
biorreactor.
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Agua para servicios varios:
Este tipo de agua se utiliza para las operaciones de lavado y
limpieza del
biorreactor y del rea de procesado. Esta agua puede ser potable,
debe estar libre
de sedimentos, pero no requiere ningn tratamiento adicional.
Energa elctrica:
La instalacin elctrica tiene como propsito proporcionar la
energa para accionar
bombas, comprensores, motores elctricos y otros equipos
mecnicos,
instrumentos, tableros de control y alumbrado. El sistema se
debe adecuar para
entregar en el punto que se requiera la energa necesaria sin
causar
sobrecalentamiento o cambios de voltaje innecesarios.
Esto se logra a travs de lneas de alambrado que unen el
generador con el punto
donde se necesita la energa conectada todos los componentes y
que se dividen
en secciones segn el servicio y el rea dando lugar a los
circuitos. El sistema
elctrico bsico esta constituido por la fuente, el equipo de
transformacin, los
dispositivos de proteccin, las lneas de distribucin y los puntos
de uso.
Voltajes de distribucin:
La energa comparada o generada se suministra a voltajes muy
altos y para
usarse en la planta debe ser reducida al voltaje de utilizacin,
para esto se
requiere el uso de subestaciones reductoras o transformadores.
El voltaje de
operacin recomendado por los fabricantes de motores y dems
equipo elctrico
aparece en la placa o en las instrucciones de operacin de dicho
equipo.
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La especificacin tpica para motores elctricos y dems equipos
accionados
elctricamente es de 120 V, 240 V y algunos casos hasta 480 V,
los instrumentos
generalmente necesitan voltaje 12-24 V.
Corriente:
La corriente puede ser de dos tipos: la corriente al terna (CA)
que es peridica con
pequeas oscilaciones, desde un valor mximo en un sentido hasta
el mismo valor
pero en sentido contrario, de tal manera que su intensidad media
es nula; y la
corriente continua o directa (DC CC) que proporciona un valor
constante todo el
tiempo, como la producida por dinamos, pilas y acumuladores.
Dispositivos de proteccin:
Los circuitos y equipos deben ser protegidos por dispositivos
que abran los
circuitos para que la corriente no fluya en condiciones de
sobrecarga o falla. Esto
se hace por medio de interruptores. Mediante los transformadores
se obtienen
voltajes reducidos que alimentan los diferentes circuitos, cada
uno de los cuales
debe tener su interrupcin de desconexin.
Equipo elctrico para reas peligrosas:
Cuando las materias primas o productos de la biorreaccin son
potencialmente
peligrosos, es decir, que emiten a la atmosfera grandes
cantidades de partculas
muy pequeas que pueden penetrar hacia los circuitos elctricos e
iniciar una
chispa (por ejemplos; polvos, solventes, etc.), tanto el equipo
elctrico como los
transformadores, mecanismos de distribucin y motores deben ser
especificados a
prueba de explosin.
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Conductores:
Del punto de suministro al punto de utilizacin (equipos,
comprensores, bombas,
etc.), la corriente elctrica distribuye por medio de conductores
que pueden ser
alambres, cordones o cables, los cuales pueden ser vistos como
las arterias y
venas por donde viaja la corriente:
o Hilo de alambre: Es un conductor constituido por nico alambre
macizo,
generalmente de cobre.
o Cordn: Es un conductor constituido por varios hilos unidos
elctricamente
enrollados helicoidalmente alrededor de uno o varios hilos
centrales.
o Cable: Es un conductor formado por uno o varios hilos o
cordones aislados
elctricamente entre si. Segn el numero hilos o cordones que
lleva un
cable se denomina unipolar, bipolar, tripolar, etc.
Los cables son canalizados en las instalaciones dentro de
tuberas metlicas o
canales para protegerlos de agentes externos como la humedad, la
corrosin los
golpes, etc., que se sujetan al techo o paredes por medio de
soportes. En algunos
lugares se entierran dichas tuberas bajo el piso, aunque esto lo
hace de difcil
acceso y mantenimiento.
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4.1 ESTERILIZACIN
En todo proceso de fermentacin se requiere la esterilizacin de
los equipos a
usar para as evitar la contaminacin biolgica. La contaminacin
biolgica es la
invasin de microorganismos extraos, sin inters industrial, del
proceso. Con ello
se disminuye la productividad porque se da el crecimiento
celular de la cepa
productora tambin del contaminante biolgico. Adems si se opera
en continuo
el microorganismos extrao puede desplazar al de inters.
A parte de estos problemas, el contaminante biolgico puede
degradar el producto
final o producir la lisis celular. Se deben de usar inculos
puros, esterilizar el
medio de cultivo, el reactor, conductos, vlvulas, aditivos y
corrientes del proceso.
Se debe mantener las condiciones de esterilizacin durante el
proceso de
operacin.
El proceso de esterilizacin consiste en la eliminacin o
destruccin de todos los
microorganismos presentes capaces de competir con el organismo
deseado.
Sabiendo las caractersticas especficas del cultivo de inters se
pueden encontrar
las condiciones de operacin ms extremas que permitan
desarrollarse a este
cultivo y no a ningn otro microorganismos. Se suele jugar con la
temperatura y
con el pH. Este procedimiento sera de desinfeccin ms que de
esterilizacin.
La esterilizacin puede hacerse mediante calor hmedo o travs de
la filtracin.
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4.1.1 DEL MEDIO DE CULTIVO CONTINO.
El medio nutritivo que se prepara inicialmente contiene una
variedad de clulas
vegetativas diferentes y de esporas que proceden de los
constituyentes del medio,
del agua y del recipiente. Estos microorganismos deben ser
eliminados por un
procedimiento adecuado antes de la inoculacin. Existen un
conjunto de
procedimientos para la esterilizacin, pero en la prctica, para
instalaciones a gran
escala, el calor es el principal mecanismo utilizado.
Un conjunto de factores influyen en el xito de la esterilizacin
por calor: el nmero
y tipo de microorganismos presentes, la composicin del medio de
cultivo, el valor
del pH y el tamao de las partculas en suspensin. Las clulas
vegetativas son
eliminadas rpidamente a temperaturas relativamente bajas, pero
para la
destruccin de las esporas se necesitan temperaturas de 121C.
La esterilizacin por filtracin se utiliza frecuentemente para
todos los
componentes de la solucin de nutrientes que son sensibles al
calor y que seran
por tanto desnaturalizados durante el proceso de esterilizacin
por vapor utilizado
normalmente en fermentacin industrial. Las vitaminas, los
antibiticos o los
componentes de la sangre son ejemplos de compuestos lbiles al
calor que deben
ser esterilizados por filtracin.
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Esterilizacin contina:
La esterilizacin continua se lleva a cabo normalmente en 30-120
segundos a
140 C. El calentamiento del medio de cultivo para la
esterilizacin continua puede
ser llevado a cabo mediante inyeccin de vapor o mediante
intercambiadores de
calor. La esterilizacin con inyeccin de vapor se hace inyectando
vapor en la
solucin de nutrientes. La temperatura se eleva rpidamente a 140
C y se
mantiene durante 30-120 segundos.
Debido a la formacin de condensados la solucin nutritiva se
diluye; para corregir
esto la solucin caliente se bombea a travs de una vlvula de
expansin a un
vaporizador y el condensado se retira mediante bombas de vaco de
forma que la
solucin esterilizada de nutrientes tiene la misma concentracin
despus del
proceso de enfriamiento que antes. La desventaja de este proceso
es la
sensibilidad que presenta a cambios en la viscosidad del medio y
a variaciones en
la presin.
En el proceso continuo que utiliza intercambiadores de calor, la
solucin de
nutrientes, en el primer intercambiador de calor, se precalienta
a 90-120 C
durante 20-30 segundos por la solucin nutritiva previamente
esterilizada que sale.
Luego, en el segundo intercambiador de calor, se calienta
indirectamente con
vapor a 140 C. Esta temperatura se mantiene durante 30-120
segundos en una
tubera de mantenimiento antes de que sea colocada en el primer
intercambiador
mediante enfriamiento preliminar y posteriormente en un tercer
cambiador para
refrigeracin a la temperatura del fermentador. La fase de
enfriamiento es slo de
20-30 segundos.
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En el proceso que utiliza intercambiadores de calor el 90% del
aporte de energa
se recupera. La desventaja de este mtodo es que con algunas
soluciones de
nutrientes se forman sales insolubles (p. ej. fosfato clcico u
oxalato clcico) y
aparecen incrustaciones en el primer intercambiador de calor
debido a las
diferencias de temperatura entre la solucin de nutrientes
esterilizada y la solucin
fra que entra.
Si se produce una precipitacin, el coeficiente de transferencia
de calor disminuye
por lo que el sistema se debe detener y tratar con agentes que
limpian (cido o
base) y re-esterilizarlo. Esterilizando separadamente los
componentes crticos de
la solucin de nutrientes se mantiene constante el coeficiente de
transferencia de
calor por lo que el perodo til puede extenderse durante
semanas.
Las soluciones que contienen almidn, que se hacen viscosas
cuando se
calientan, son difciles de utilizar en procesos de esterilizacin
continua. Antes de
la esterilizacin real debe llevarse a cabo una licuefaccin e
hidrlisis parcial
mediante cidos o amilasas. Adems, si hay partculas en suspensin
en la
solucin de nutrientes, los cortos tiempos de esterilizacin en el
proceso continuo
pueden ser insuficientes para que el calor permanezca
completamente a travs de
ellas. El tiempo de calentamiento para partculas de 1 mm es de 1
segundo; para
partculas de 1 cm es de 100 segundos. Por consiguiente el tamao
de las
partculas debera estar restringido a 1-2 mm en procesos
continuos de
esterilizacin.
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4.1.2 ESTERILIZACIN DEL AIRE
La mayor parte de las fermentaciones industriales operan en
condiciones de
agitacin vigorosa y el aire que se suministra al fermentador
debe ser esterilizado.
El nmero de partculas y microorganismos en el aire vara en gran
medida
dependiendo de la localizacin de la planta, el movimiento del
aire y el tratamiento
previo del aire. Como media, el aire exterior tiene 10 - 100.000
partculas por m3 y
5 - 2.000 microorganismos por m3. De estos, el 50% son esporas
de hongos y el
40% son bacterias G (-).
Los fermentadores funcionan generalmente con velocidades de
aireacin de 0,5 -
1,0 vvm (volumen de aire/volumen de lquido por minuto). Un
fermentador que
tenga un volumen de trabajo de 50 m3 con una velocidad de
aireacin de 1 vvm
necesita 3.000 m3 de aire estril por hora. La importancia crtica
de la
esterilizacin del aire en la microbiologa industrial puede ser
deducida a partir de
estos valores.
Los mtodos existentes para la esterilizacin de los gases
incluyen la filtracin,
inyeccin de gas (ozono), depuracin de gas, radiacin (UV) y
calor. De todos
estos, solamente la filtracin y el calor son prcticos a escala
industrial. Durante
muchos aos el aire se esteriliz pasndolo sobre elementos
calentados
elctricamente, pero debido al alto coste de la electricidad a
partir de la crisis del
petrleo de los aos 70, este proceso ha sido reemplazado por la
filtracin.
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Actualmente, en los sistemas industriales el aire se esteriliza
por filtracin. En los
sistemas ms antiguos se instalaban filtros en profundidad como
los de lana de
vidrio en los que las partculas son atrapadas por una combinacin
de efectos
fsicos (inercia, bloqueo, difusin, gravedad y atraccin
electrosttica). Los dos
ltimos mecanismos tienen un efecto mnimo sobre la eliminacin de
las
partculas. Las desventajas de los filtros de lana de vidrio
incluyen el arrugamiento
y la solidificacin durante la esterilizacin por vapor.
Actualmente estn siendo reemplazados por filtros de cartuchos
que utilizan
membranas plegadas. Las ventajas de estos filtros es que son
sustancialmente
ms pequeos, debido a la construccin de los cartuchos es fcil
reemplazar los
elementos filtrantes utilizados, al poseer una estructura
membranosa (steres de
celulosa, polisulfona o nylon) tienen un efecto de filtros
absolutos. La desventaja
de la mayor parte de los sistemas instalados actualmente es que
no existen
todava, para uso industrial, filtros absolutos para
bacterifagos.
Los bacterifagos pueden ocasionar el fallo total de un sistema
como por ejemplo
en la produccin de cido glutmico por Corynebacterium glutamicum
o al trabajar
con Escherichia coli. El aire que sale del fermentador tambin
debe ser
esterilizado, sobre todo si se trabaja con organismos
recombinantes. No slo
como medida de seguridad, sino tambin para prevenir que las
cepas industriales
se liberen al medio ambiente y por lo tanto estn disponibles de
una forma gratuita
para los competidores. De nuevo, se utiliza la filtracin.
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4.2 INSTRUMENTACIN Y CONTROL DEL BIORREACTOR
La instrumentacin y control de un biorreactor requiere de
sensores que midan las
variables de un proceso fermentativo, y sistemas que ajusten el
equipo a un punto
ptimo de operacin. Idealmente, los sensores deben de estar en
lnea, para
medir las propiedades fsicas del cultivo, estos sensores deben
ser esterilizables
para asegurar la asepsia del proceso.
Sin embargo, no todas las mediciones pueden ser hechas en lnea,
algunas
medidas fuera de lnea, requieren de tomar muestras y
analizarlas, lo cual
consume tiempo y hace lenta la respuesta de control (biomasa,
sustrato,
metabolitos, etc.). En la Figura 1, podemos observar los
principales instrumentos
de medicin en un biorreactor.
Los sensores de propiedades fsicas pueden ser monitoreados
continuamente, y
son la temperatura, presin, poder de agitacin, velocidad de
agitacin, viscosidad
del medio, flujo y concentracin de gases y fluidos, espuma,
volumen y masa.
Para la medicin de las propiedades qumicas se utilizan
electrodos esterilizables
al vapor, de pH, redox, oxgeno disuelto y CO2. El ms utilizado
es el de pH,
aunque no tiene utilidad para todas las fermentaciones, slo en
las de tipo
continuo donde se necesita mantener un valor estable de acidez o
basicidad. Para
ello, contamos con sensores de pH y oxgeno disuelto.
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4.2.1 SENSORES FSICOS Y QUMICOS
Para llevar a cabo durante la fermentacin medidas para el
anlisis de datos y el
control del proceso se han desarrollado sensores especiales para
biorreactores
que difieren en cierto modo de los de las industrias
qumicas:
1) Todos los sensores localizados en el rea estril deben ser
esterilizables.
2) Algunos sensores deben estar especficamente adaptados a las
necesidades
bioqumicas.
Los parmetros fsicos y qumicos que se indican en la Tabla 2
pueden ser
medidos directamente en muchas plantas piloto o fermentadores de
produccin o
pueden ser medidos in situ en el laboratorio.
Figura 1. Instrumentacin de un biorreactor. Ilustracin 1Figura
1. Instrumentacin de un biorreactor.
Ilustracin 2 Figura 1. Instrumentacin de un biorreactor.
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Tabla 2. Parmetros que pueden ser medidos en un proceso de
fermentacin.
Parmetros
fsicos
Parmetros
Qumicos
Parmetros
biolgicos
Temperatura
Presin
Consumo de potencia
Viscosidad
Velocidad de flujo (aire
y lquido)
Turbidez
Peso del fermentador
pH
Oxgeno disuelto
O2 y CO2 en los
gases de salida
Potencial redox
Concentracin de
sustrato
Concentracin de
producto
Fuerza inica
Productos biolgicamente
activos
Actividad enzimtica
Contenido en DNA y RNA
Contenido en NADH2 y ATP
Contenido en protena
Los parmetros biolgicos que se indican deben ser medidos fuera
del
fermentador, con la excepcin de la medida del NADH2 que puede
ser medido in
situ por mtodos fluorescentes. Existen interesantes novedades en
el campo de
los electrodos enzimticos, los denominados biosensores. Tales
sensores, sin
embargo, no pueden ser esterilizados.
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Un procedimiento normal es determinar en el aire que entra y que
sale el O2 y el
CO2 por separado mediante las propiedades paramagnticas del O2 y
el espectro
de absorcin en infrarrojos del CO2. Los sensores para medir
estos gases estn
bien desarrollados y funcionan con pocas interrupciones.
Es fcil encontrar equipos para la medida precisa del pH. Existen
combinaciones
de electrodos (electrodos de cristal, electrodo de referencia y
compensador de
temperatura en una sola mitad) capaces de soportar las
temperaturas de
esterilizacin y las tensiones mecnicas o debidas a la presin. El
tiempo de
respuestas y la sensibilidad de estos electrodos es
satisfactoria para los
requerimientos normales de los fermentadores.
Uso de ordenadores
Los ordenadores pueden facilitar el control y anlisis de un
conjunto de funciones
en los procesos de fermentacin:
Optimizacin mediante ordenador. Los ordenadores se utilizan en
el salto
de escala y evalan los parmetros de la fermentacin y miden los
efectos
de parmetros individuales sobre el comportamiento metablico de
los
cultivos.
Control mediante ordenador. Los ordenadores pueden controlar
los
procesos de fermentacin. El control in situ de la fermentacin se
utiliza
ampliamente por muchas compaas a escala de produccin.
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La aplicacin de ordenadores en biotecnologa se utilizan
primariamente para la
adquisicin de:
a) Adquisicin de datos
b) Anlisis de datos
c) Desarrollos de modelos de fermentacin
4.2.1.1 SENSORES FSICOS
Temperatura
Es un parmetro de regulacin importante para el proceso ya que
muchos
microorganismos tienen un determinado intervalo de temperatura y
la energa
calorfica es rpidamente absorbida por la clula. Los termmetros
de resistencia y
los termistores son los que se encuentran en la mayora de las
instalaciones.
Termmetros de resistencia
Se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance
Temperature
Detector). Se basan en el principio de que la resistencia de los
metales incrementa
con la temperatura. Cuando la corriente pasa a travs del rollo,
un cambio de
voltaje se produce y ste a su vez, se relaciona con la
temperatura. Los
termmetros de resistencia industriales se construyen siempre de
platino, cobre o
nquel.
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Termistores
Son resistores variables con la temperatura, pero no estn
basados en
conductores como las RTD, sino en semiconductores. Si su
coeficiente de
temperatura es negativo NTC (negative temperature coefficient),
mientras que si
es positivo, se denominan PTC. Son semiconductores los cuales
exhiben un
incremento en su conductividad con la temperatura.
De la misma forma que los termmetros de resistencia, los
termistores no guardan
una relacin lineal entre la resistencia y la temperatura, pero
si se adecuan a los
pequeos cambios de temperatura que exhiben las fermentaciones,
sta relacin
puede considerarse lineal. Los termistores se fabrican con xidos
de nquel,
manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio y titanio.
Figura 4.2 Componentes de termmetro de resistencia. Ilustracin
3Figura 4.2 Componentes de termmetro de resistencia.
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4.2.1.2 SENSORES QUIMICOS
pH
El electrodo de vidrio es el elemento detector primario de las
mediciones de pH. El
principio de medicin se basa en el desarrollo de un potencial en
la membrana de
vidrio sensible al pH, como resultado de la diferencia en la
actividad del ion
hidrgeno en la muestra y una solucin estndar de referencia
(solucin de cloruro
de potasio) contenida dentro del electrodo. El potencial del
electrodo proporciona
un voltaje que se expresa como pH.
Figura 4.3 Tipos de termistores Ilustracin 4 Figura 4.3 Tipos de
termistores
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Medicin de oxgeno disuelto
Los sensores de medicin de oxgeno disuelto (OD) consisten
bsicamente de una
camisa de acero inoxidable o de cristal que contiene dos
electrodos y un electrolito
adecuado. Para separar los electrodos y los electrolitos del
caldo de fermentacin,
el sensor est cubierto por una membrana.
El oxgeno difunde a travs de la membrana y se reduce en el
ctodo, que est
polarizado negativamente con respecto al nodo. Esto produce una
corriente que
puede ser traducida como concentracin de oxgeno. Habitualmente
se recurre al
uso de sondas de tipo polarigrfica y galvnica. La diferencia
entre ellas es que
stas ltimas son ms baratas. Las sondas polarigrficas pueden
ser
fraccionablemente ms rpidas y tener una vida til ms larga.
Realmente las
sondas OD no miden la concentracin de oxgeno disuelto, sino la
actividad o la
presin parcial del oxgeno.
Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio Ilustracin 5Figura
4.4 Componentes de electrodo de vidrio
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Por esta razn las sondas OD son frecuentemente calibradas para
leer el
porcentaje de saturacin utilizando aire y nitrgeno libre de
oxgeno como los
puntos de 0-100% de calibracin. Es posible sin embargo
relacionar la presin
parcial del oxgeno con la concentracin de oxgeno disuelto
utilizando la Ley de
Henry, ya que la solubilidad del oxgeno en los caldos de
fermentacin es muy
baja.
Figura 4.5 Sensor de medicin de oxgeno disuelto
Ilustracin 6Figura 4.5 Sensor de medicin de oxgeno disuelto
Nivel de espuma
La formacin de espuma representa un problema serio en las
fermentaciones ya
que se fomenta la contaminacin mermando el rendimiento u
obstaculizando
filtros. Comnmente muchos medios de cultivo fomentan la formacin
de espuma,
principalmente en los cultivos aerobios por la produccin de
agentes espumantes
como protenas, polisacridos y cidos grasos. El control puede
realizarse por
mtodos mecnicos, qumicos o una combinacin de los dos.
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Mtodos mecnicos
Consisten de adaptaciones de disco rotatorios montados sobre el
eje principal de
agitacin. Estos dispositivos aseguran una buena eliminacin de
espuma, con la
desventaja de que consumen elevadas cantidades de energa, lo
cual se refleja en
un incremento en los costos de produccin.
Mtodos qumicos
Se realizan con la ayuda de agente antiespumantes los cuales
pueden ser
suministrados de forma automtica. Algunos antiespumantes son
metabolizados
por los microorganismos, por lo cual pueden ser considerados
como una fuente de
carbono adicional.
Nivel de agitacin
Son comunes los rotmetros los cuales determinan las revoluciones
por minuto
mediante mecanismos de induccin, generacin de voltaje, sensores
de luz o
fuerzas magnticas (tacmetros elctricos). stos permiten una
medicin directa
de las seales para alimentar los instrumentos registradores o
controladores de
panel. El tacmetro elctrico se emplea un transductor que produce
una seal
analgica o digital como conversin de la velocidad de giro de la
mquina.
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Flujo de aire
En fermentaciones aerobias el aire es transportado a travs del
fermentador para
suministrar oxgeno y tambin para remover CO2, lo cual de otro
modo podra
afectar la actividad enzimtica. En reactores de columna de
burbujeo, promueve la
mezcla del medio de cultivo. Normalmente las velocidades de
flujo de aire se
encuentran en el rango de 0.5-1.5 vvm (volmenes de air por
volumen de reactor
por minuto.
La medicin de flujo de gas, incluye el suministro de aire al
fermentador, para la
toma de muestras de gas para el anlisis y para el suministro de
gas de amoniaco
en el control de pH. Los instrumentos ms usados para la medicin
de flujo son los
rotmetros u los medidores trmicos de flujo de masa. En los
rotmetros la
velocidad de flujo e determina por medio de un flotador que se
mueve libremente
en el interior de un tubo graduado, creciente y montado
verticalmente.
Los medidores de flujo de aire msico determinan el flujo de gas
detectando las
diferencias de temperatura a lo largo de un dispositivo
calefactor colocado en el
paso del gas.
Figura 4.6Tacmetro Ilustracin 7Figura 4.5 Sensor de
medicin de oxgeno disuelto
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El principio de este medidor de flujo radica en que el calor
transferido es
directamente proporcional a la cantidad del flujo msico.
Figura 4.7 Rotmetro Ilustracin 8Figura 4.6 Rotmetro
Medidor de nivel
Los indicadores de nivel pueden ser de nivel de vidrio y
medidores de presin
diferencial. En los indicadores de nivel de vidrio se instala en
forma de que el
lquido se comunique con el indicador de vidrio paralelo al
reactor. En los
medidores de presin diferencial, una celda de presin diferencial
se puede usar
como transmisor de nivel, ya que el nivel del lquido se refleja
como una
presin equivalente a la altura del lquido asociado con la
densidad de este.
Otra forma de conocer el nivel del lquido, es por medio de un
sensor del nivel del
lquido, que mide la capacidad del condensador formado por un
electrodo
sumergido en el lquido y en las paredes del tanque. La
capacitancia registrada
depende linealmente del nivel del lquido.
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Presin
Las variaciones excesivas de presin no solo pueden provocar
prdidas de
producto sino que tambin dao a l equipo y al personal de
operacin. El
biorreactor suele someterse a presiones de esterilizacin con el
fin de prevenir
posibles riesgos de contaminacin por residuos remanentes.
Algunas veces el medio de cultivo se esteriliza en el interior
del birreactor, por lo
cual es indispensable el control de la presin, con el fin de
evitar el deterioro de los
componentes del medio de cultivo. Para el control de la presin
suelen usarse
manmetros de presin o de Bourdon.
Figura 4.8 Medidor de Nivel Ilustracin 9Figura 4.6 Rotmetro
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Anlisis del gas de salida
El gas que abandona el reactor contiene diversos tipos de gases,
dependiendo del
tipo de reaccin. En reacciones biolgicas, los principales gases
presentes en el
gas de salida con CO2 y O2. La determinacin de las
concentraciones de estos
gases es un indicativo de la actividad metablica presente en el
interior del reactor
durante la reaccin. La diferencia del contenido de oxgeno a la
entrada en la
corriente de salida es igual a la cantidad de oxgeno transferido
al sistema.
El contenido de oxgeno se puede determinar por medio de
analizadores de gas
de tipo paramagnticos. Los analizadores ms populares son los de
viento
magntico (termomagntico) y el de deflexin (magnetodinmico). Las
molculas
paramagnticas tales como el oxgeno presentan electrones no
apareados los
cuales giran alrededor del ncleo. Cuando un flujo magntico es
aplicado, los
tomos tienen a orientarse en la direccin del campo.
Figura 4.9 Medidor de Presin
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La medicin de CO2 se puede realizar con analizadores de
infrarrojos, los cuales
consisten en una fuente de luz, una seccin ptica y el sensor
principal.
Espectrmetros de masa
Se basan en la separacin de las molculas ionizadas en el vaco.
La separacin
basada en la relacin de masa a carga se consigue en instrumentos
magnticos o
de cuadrapolo. Potencialmente los espectrmetros de masas pueden
ser
utilizados tanto para el anlisis continuo de gases en lnea como
de lquidos. Para
el anlisis de lquidos, una sonda que soporte una fuerte membrana
permeable, se
inserta en el caldo de fermentacin y las sustancias disueltas
como el O2 y el CO2
y cualquier lquido de suficiente volatilidad son arrastradas
fuera de la solucin
aplicando vaci.
Los espectrmetros de masas pueden ser utilizados para el
anlisis
simultneamente de cualquier componente de la fase gaseosa; sin
embargo en las
fermentaciones est restringido tradicionalmente a oxgeno y
bixido de carbono
como un sofisticado analizador de gases.
Figura 4.10 Analizador de Gases Ilustracin 10Figura 4.9
Analizador de Gases
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La principal desventaja del espectrmetro de masas es su elevado
consto,
alrededor de diez veces ms que la de cualquier analizador de
gas.
Pero el espectrmetro de masas es ms verstil, ya que puede medir
tambin
N2, NH3, metanol y etanol simultneamente, as como dar informacin
cuantitativa
y cualitativa sobre el intercambio de O2 y CO2. Mediante el uso
de membranas
permeables a los gases es posible medir los gases disueltos en
el medio nutritivo.
Se han desarrollado instrumentos que analizan hasta 8 gases
simultneamente en
la fermentacin.
Figura 4.11 Espectrmetro de masas Ilustracin 11Figura 4.10
Espectrmetro de masas
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CONCLUSIN
En un biorreactor es donde se realiza el proceso en donde provee
los servicios
necesarios para los cultivos y hace referencia su modo de
operacin ya se de
forma continua o discontinua. En todo proceso se requiere la
esterilizacin de los
equipos a utilizar, para as evitar que haya contaminacin hacia
mis medios. En
donde la esterilizacin consiste en la eliminacin o destruccin de
todos los
microorganismos presentes en el medio. La esterilizacin puede
hacerse mediante
calor hmedo o a travs de una filtracin.
Un buen manejo de los biorreactores depende de gran parte de
su
instrumentacin y control, que estas a su ves son ayudados por
sensores que
ayudan a encontrar las variables dentro de un proceso
fermentativo. Dentro de los
sensores fsicos podemos encontrar lo que son la temperatura,
presin,
viscosidad, etc. Dentro de los sensores qumicos son el pH, la
fuerza inica
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BIBLIOGRAFA
G:\Instrumentacin y control del proceso for Bases de
Microbiologa
Industrial.mht.
G:\Esterilizacin.mht.
G:\Pagina nueva 5.htm
