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Diseo y construccin de los instrumentosde medicin para un biorreactor prototipo

Derechos reservados, Copyright 2003:Sociedad Mexicana de Ingeniera Biomdica, AC

Revista Mexicana de Ingeniera BiomdicaNmeroNumber 1

MarzoMarch 2003VolumenVolume 24

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55Rodrguez AAC y cols. Diseo y construccin de los instrumentos de medicin para un biorreactor prototipo

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ARTCULO DE INVESTIGACIN ORIGINALSOMIB

REVISTA MEXICANA DEINGENIERA BIOMDICA

Vol. XXIV, Nm. 1Marzo 2003

pp 55 - 70

RESUMEN

La importancia de la instrumentacin de un biorreactor prototiporadica en la necesidad de tener en los cultivos un control que per-mita optimizar el proceso. La estrategia de control comienza con lamedicin de las variables que proveen un ambiente adecuado enun proceso de fermentacin. El diseo y construccin de los ele-mentos necesarios para el monitoreo de las variables del biorreac-tor, requirieron conocimientos de las necesidades del biorreactor ysu operacin especfica, as como de los circuitos electrnicos invo-lucrados en los dispositivos de medicin. As, se realiz el diseo detodos los dispositivos para la medicin, como tambin los controla-dores de las variables tales como agitacin, temperatura, nivel eimpedancia. Por ltimo, se llev a cabo la construccin de la esta-cin de trabajo tomando en cuenta las caractersticas de funciona-lidad, dimensin, transportacin del prototipo. De esta manera, selogr controlar un proceso fermentativo en un biorreactor prototipocon instrumentos de diseo y construccin propios.

Palabras clave:Lote alimentado, cultivo, control.

ABSTRACT

The instrumentation of a bioreactor prototype is settled in the controlof yeasts that allow us to optimize the process. The control strategybegins with the measurement of the variables that will provide anadequate environment in a fermentative process. The knowledge ofthe bioreactors, their requirements and specific operation, as well asthe electronic circuits of the measurement devices, was required inorder to design and construct all the necessary elements for themonitoring of the variables involved in a fermentative process. Notonly the design of the devices for the measurement, but also thecontrollers for the variables such as agitation speed, temperature,water level and impedance was performed. Furthermore, a work sta-tion was constructed, based on the characteristics of functionality,dimensions and transport of the prototype. Finally, the control of afermentative process in a prototype bioreactor with instruments ofour own design and construction was achieved.

Key Words:Fed-batch, yeast, control.

Rodrguez Arvalo, A.C.,*Cabrera Llanos, A.I.* Valencia

Flores, J.I.*

* Instituto Politcnico Nacional. UnidadProfesional Interdisciplinaria deBiotecnologa.

Correspondencia:Rodrguez Arvalo, A.C.Av. Acueducto s/n Col. Barrio la LagunaTicomn C.P. 07340, Mxico, D. F.,Mxico.E-mail: [email protected]

Diseo y construccin de los instrumentos demedicin para un biorreactor prototipo

Revista Mexicana de Ingeniera Biomdica volumen XXIV nmero 1 Marzo 200356

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INTRODUCCIN

Las caractersticas bsicas de evolucin de un pro-ceso de fermentacin son representadas en for-ma de una curva de crecimiento y medicin, s-tas fueron estudiadas debido la necesidad decaracterizacin de los instrumentos de medicinpropuestos. Se incluyen tambin los tipos de bio-rreactores, su diseo, instrumentacin y modos deoperacin, para comprender el porqu del dise-o de los medidores. Por otro lado se explican lascaractersticas del microorganismo Saccharomy-ces cerevisiae, utilizado en las fermentaciones. Porotra parte, debido a que el sistema de medicinde concentracin de biomasa se realiz basadoen los principios de medicin impedanciomtrica,se revisan estos conceptos, explicando los ante-cedentes, mtodos y aplicaciones, para dar unaidea ms clara del mtodo propuesto para lamedicin. Por ltimo, debido al diseo del sistemade agitacin del biorreactor utilizado, en dondese tomaron en cuenta las caractersticas de losmotores elctricos, su arranque, medicin de ve-locidad, instalacin y control, para as poder reali-zar las modificaciones necesarias al sistema deagitacin propuesto.

Los procesos fermentativos

El crecimiento en un sistema biolgico se definecon el incremento ordenado de todos los compo-nentes qumicos1. Dicho crecimiento es de sumaimportancia en los procesos de fermentacin, yaque manteniendo controlado dicho crecimiento,se mantiene controlada la produccin del meta-bolito de inters.

Todo cultivo de microorganismo inoculado enun medio, pasa por diversas fases en un procesode fermentacin (Figura 1). Dichas fases son: la fase

de latencia, fase exponencial, fase estacionaria yfase de muerte.

Medicin del crecimiento microbiano

Existen diversos mtodos para medir el crecimien-to de los microorganismos como peso seco, ab-sorbancia, nmero de clulas viables, contador declulas, etc.

La medicin del peso seco de las clulas esuna manera directa de conocer la biomasa.Consiste de separar las clulas del medio, filtrn-dolas con papel filtro con poros en la medidade micrmetros; posteriormente, se secan dichosfiltros y se pesan. Este mtodo es largo y no tanpreciso como se deseara, es por ello que se re-quieren balanzas con precisiones de menos de1 mg. Asimismo, este mtodo no es selectivo,debido a que determina tanto las clulas muer-tas como las viables.

Otro mtodo utilizado es la absorbancia, la cualdetermina la cantidad de luz dispersada por unasuspensin de clulas. Se basa en el hecho de quelas partculas pequeas dispersan la luz de mane-ra proporcional a su concentracin1. En fechas re-cientes un mtodo basado en la relacin de im-pedancia del medio se ha estado desarrollando,este mtodo necesita del desarrollo de una fuen-te externa de corriente, que introduzca una sealoscilatoria al medio, con la cual se realice un sen-sado de la seal complementaria (voltaje) y aspoder determinar el valor de la impedancia en eltranscurso de un proceso de fermentacin, estavariable es dependiente de la concentracin demicroorganismos en el medio y representa una al-ternativa de medicin.

Biorreactores

Un biorreactor o fermentador se define comoaquel dispositivo que proporciona un medioambiente controlado que permite el crecimien-to eficaz de las clulas y la formacin de unproducto2. El medio ambiente adecuado queproporciona un biorreactor, tiene que tener nive-les ptimos de temperatura, pH, sustrato, sales, yoxgeno, para as convertir las materias primas enproductos especficos (metabolitos) de inters3.

Tipos de biorreactores

Existen distintos tipos de biorreactores, bsicamen-te tres4:

Tiempo

Log

arit

mo

de

la b

iom

asa

Fase

de

reta

rdo

Fase

exp

one

ncia

l

Fase

est

ac

iona

ria

Fase

de

mue

rte

Figura 1. Curva de crecimiento de un cultivo discontinuo.


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Fermentadores bucle agitado por aire (air-lift) Fermentadores de torre Fermentadores con agitacin mecnica

Los fermentadores con agitacin bsicamenteconsisten de un tubo cilndrico con un agitador enel fondo o en la parte superior (Figura 2), estos sonlos fermentadores ms comnmente usados de-bido a su fcil operacin, confiabilidad y duracin.Por estas caractersticas se eligi este tipo de bio-rreactor para nuestro caso.

Estos biorreactores pueden variar en capaci-dad desde 1 litro hasta 30 litros. En estos tipos defermentadores es necesario un motor para po-der llevar a cabo la agitacin, el motor debergenerar la suficiente potencia para asegurar queel medio de cultivo en el fermentador perma-

nezca como una mezcla homognea, para unbiorreactor de 20 litros un motor de 1 kwatt essuficiente.

Las operaciones realizadas por estos biorreac-tores son las siguientes3:

1. Homogeneizacin, para mantener tempera-tura y distribucin de concentracin unifor-mes.

2. Mezcla slido/lquido, para mantener una sus-pensin con una distribucin de slidos unifor-me.

3. Procesos lquido/lquido, para dispersar unafase en otra, formar emulsiones y realizar ex-tracciones.

4. Procesos gaseoso/lquido, para dispersar el gasen los lquidos, airear el lquido.

5. Intercambio de calor.

Deflectores

Motor

CamisaAgitador

Figura 2. Biorreactor detanque agitado mecni-camente.

Figura 3. Deflectores.


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Estos biorreactores cuentan con un sistema deagitacin mecnico, y el nmero de propelas tie-ne que ver con el tamao del mismo, se colocaa lo largo del eje cilndrico del reactor, lo cualfavorece tambin el intercambio de calor. Asimis-mo, cuentan con baffles (deflectores), los cualesson cortadores de corriente para prevenir la for-macin de vrtices en el medio (Figura 3). Gene-ralmente se colocan cuatro deflectores. La tem-peratura del medio se mantiene por la camisade metal o vidrio.

Existen distintos tipos de agitadores, algunosmantienen el flujo en alineacin axial y otros enalineacin tangencial o radial. La forma de di-chos agitadores depende de la viscosidad del l-quido3. Dependiendo del tipo de agitador que seseleccione, ser el patrn de flujo y de los vrti-ces generados; todo esto se calcula por par-metros como tiempo de mezclado, transferenciade masa y de calor, etc. En nuestro caso, el tipode agitador utilizado es turbina plana con deflec-tores laterales.

Diseo e instrumentacin de biorreactores

La instrumentacin y control de un biorreactor re-quiere de sensores que midan las variables de un

proceso fermentativo, y sistemas que ajusten elequipo a un punto ptimo de operacin. Ideal-mente, los sensores deben de estar en lnea, paramedir las propiedades fsicas del cultivo, estos sen-sores deben ser esterilizables para asegurar la asep-sia del proceso. Sin embargo, no todas las medi-ciones pueden ser hechas en lnea, algunasmedidas fuera de lnea, requieren de tomar mues-tras y analizarlas, lo cual consume tiempo y hacelenta la respuesta de control (biomasa, sustrato,metabolitos, etc.). En la Figura 4, podemos obser-var los principales instrumentos de medicin en unbiorreactor.

Los sensores de propiedades fsicas pueden sermonitoreados continuamente, y son la temperatu-ra, presin, poder de agitacin, velocidad de agi-tacin, viscosidad del medio, flujo y concentracinde gases y fluidos, espuma, volumen y masa5. Losutilizados en el prototipo son de agitacin, tempe-ratura y nivel de lquido.

Para la medicin de las propiedades qumicasse utilizan electrodos esterilizables al vapor, de pH,redox, oxgeno disuelto y CO2. El ms utilizado esel de pH, aunque no tiene utilidad para todas lasfermentaciones, slo en las de tipo continuo don-de se necesita mantener un valor estable de aci-dez o basicidad. Para ello, contamos con senso-res de pH y oxgeno disuelto.

Dinammetro

Flujmetro

Galga

Deteccinespuma

Temperatura

Flujo de entradade gas

Medicin de biomasa(espectrofotometra,

turbidimetra)

Recuperacin deproducto

Electrodo DO

Electrodo Redox

Electrodo pH

Tacmetro

Figura 4. Instrumentacinde un biorreactor.


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Modos de operacin

Los biorreactores, tienen bsicamente tres modosde operacin para realizar las fermentaciones:

1. Modo lote (Batch)2. Modo lote alimentado (Fed-Batch)3. Modo continuo

Los modos de operacin por lote, son modosdiscontinuos de operacin, el modo lote es comn-mente llamado discontinuo, mientras que el modolote alimentado se conoce como discontinuo ali-mentado a intervalos

En nuestro caso, se utiliz el modo lote, en elcual, todas las materias primas necesarias paraproducir (sustrato) se introducen al inicio de la fer-mentacin, el objetivo es la produccin de unmetabolito cuyo valor es mayor al de la materiaprima. Este cultivo se deja en operacin por un cier-to tiempo (tiempo de fermentacin). Al final de lafermentacin se recuperan los productos de inte-rs (Figura 5). Slo se utilizan cuando se requiereuna cantidad pequea de producto.

Saccharomyces cerevisiae

El microorganismo utilizado, Saccharomyces ce-revisiae (Figura 6) es una levadura a la que, paraobtener el producto deseado, se manipula el me-

Cuadro 1. Instrumentos de medicin en lnea2.

Variable Equipo

Temperatura Termmetros, termistores.Presin Manmetros, galgas.Volumen Sensores de nivel.Espuma Sondas metlicas.Velocidad del agitador TacmetroVelocidad del flujo Rotmero, medidor trmico.gaseosoFlujo lquido Agitadores, turbinas, rotmeros,

transductores de flujo, bombasperistlticas.

pH Electrodo de referencia de vi-drio combinado.

O2 disuelto Electrodo polarogrfico.CO2 disuelto Electrodo.O2 fase gaseosa Anlisis paramagntico.CO2 fase gaseosa Anlisis infrarrojo.Anlisis de gases Espectroscopia de masas.

Figura 6. Saccharomycescerevisiae.

Tiempo de fermentacin.El cultivo no se toca, slo

para tomar muestras.

Recuperacin deproducto

Alcohol,Antiobiticos,

Lcteosfermentados,Biomasa, etc.

SustratoMicroorganismo

Figura 5. Diagrama de fer-mentacin modo lote.


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dio al controlar la cantidad de sustrato aadidoen una fermentacin por lote alimentado, pode-mos controlar la cantidad de producto y el pro-ducto de nuestro inters. A cantidades limitadasde sustrato, existe una mayor produccin de bio-masa, mientras que al aumentar el sustrato, se tie-ne una mayor produccin de etanol.

Por ello, para este microorganismo, se controlaprincipalmente la cantidad de CO2 que sale y elO2 que entra, para poder predecir el producto aobtener. Generalmente, el microorganismo se co-loca en un medio de cultivo nutritivo con extractode levadura, glucosa y minerales necesarios parasu crecimiento.

Impedancia

La impedancia se define como la oposicin totalque un elemento ofrece ante el flujo de una co-rriente alterna a una frecuencia dada, y se repre-senta como una cantidad compleja la cual esmostrada como un plano vectorial. La impedan-cia elctrica como principio de transduccin hasido aplicada en una gran variedad de problemasbiolgicos, fisiolgicos y mdicos6. Una aplicacin

relativamente reciente es el monitoreo automti-co de impedancia en los procesos biotecnolgi-cos. La tcnica consiste en realizar mediciones delas componentes de impedancia (por ejemploconductancia, capacitancia, impedancia o ngu-lo de fase) empleando el mtodo bipolar, o el te-trapolar, con electrodos sumergidos en una celdaque contiene un medio de cultivo inoculado quees mantenido a temperatura constante.

Para medir la impedancia de un cultivo, se apli-ca un campo elctrico senoidal entre dos electro-dos. Existen principalmente dos parmetros quedescriben las propiedades elctricas de una mues-tra: , que es la permitividad elctrica para la ca-pacitancia; y , que es la conductividad. Ambosparmetros se afectan por la concentracin debiomasa. En un sistema de temperatura controla-da, pueden utilizarse estos mtodos para monito-rear la biomasa. Existen instrumentos comercialespara realizar estas mediciones, como el Bactoma-tic o el Bactobridge, sin embargo, su costo es muyelevado7.

En deteccin y cuantificacin, las ventajas dela impedancia respecto de los mtodos clsicos,como el conteo de clulas, son notables. Los tra-

Cuadro 2. Mtodos impedanciomtricos8.

Mtodo Caractersticas

Puentes para medir cambios de impedancia Balanceados inicialmente contra una celda estril parao conductancia. disminuir variaciones de temperatura u otros parmetros.

Puentes para medir el cociente de impedancia Este arreglo reducira cambios extra-bacterianos.de una celda de referencia sobre la suma delas impedancias de referencia y una celdainoculada

Generador de corriente constante aplicado a Esta tcnica permite obtener seales proporcionales a lasuna celda inoculada y un demodulador componentes resistiva total, reactiva total y mdulo desensible a la fase. impedancia total

Una fuente de tensin senoidal aplicada a Las tensiones medidas en el resistor serie, la celda de cultivo y launa celda inoculada a travs de un resistor fuente permiten calcular por medio de la ley de Ohm y elserie para medir la impedancia bipolar. teorema del coseno, el mdulo de la impedancia y sus

componentes resistiva y reactiva totales.

El mtodo tetrapolar. Es similar al bipolar, pero evita la impedancia de la interfaseelectrodo-electrlito, y slo mide la resistencia del medio decultivo.

El mtodo bi-frecuencia. Basado en la tcnica de Schwan, emplea las propiedadesdependientes de la frecuencia de la impedancia de interfasepara separar las componentes de medio e interfase de laimpedancia bipolar.


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bajos publicados comnmente se limitan a unacapacitancia y resistencia total bipolar medidasa una frecuencia nica, sin discriminar en la com-ponente resistiva el medio de la interfase, y ade-ms sin comprender claramente que informa-cin representa la capacitancia o la resistenciamedida. Tampoco hay una tcnica comn pararealizar las mediciones y hasta puede encontrar-se trabajos con opiniones opuestas. Como con-trapartida, en las mediciones de impedanciadel medio, hay ms fundamentos tericos ba-sados en diversos trabajos que se remontan alas primeras dcadas del siglo XX, pero que re-cientemente se aplicaron en forma prctica enla biotecnologa8.

Mtodos

Existen varios mtodos para medir impedancia.Para escoger el adecuado, se deben considerarlos requerimientos y condiciones de nuestras me-diciones, as como factores como cobertura defrecuencia, rango de medicin, precisin y facili-dad de uso (Cuadro 2).

Aplicaciones

Las aplicaciones de la impedancia son muy varia-das, por ejemplo, en la industria de productos lc-teos, se ha propuesto emplear la impedanciacomo mtodo alternativo de conteo de clulas.Asimismo, tiene aplicaciones en la industria cerve-cera, de vinos, carnes, pescados, productos far-macuticos y cosmticos. Fuera de estas aplica-ciones, se ha utilizado para detectar bacteriascoliformes en desages, as como infecciones uri-narias o en sangre humana. Otras aplicacionesconsisten en la investigacin para antibiogramas,o estudio de caractersticas de crecimiento demicroorganismos, para optimizar su produccinmetablica8,9.

Motores. Medicin de velocidad

Los tacmetros de corriente alterna son genera-dores de corriente alterna monofsicos, excitadoscon un imn permanente, que suministran tensinproporcional a la velocidad angular. La tensinalterna se rectifica y se filtra.

Los tacmetros digitales corresponden a una rue-da dentada que se monta en el eje del motor y unsensor fijo produce impulsos de tensin los cualespueden ser manipulados, filtrados y desplegados.

Los tacmetros, como todo instrumento de me-dicin, deben tener caractersticas de linealidad,precisin, etc.

Instalacin de motores

En la instalacin de motores, deben tomarse encuenta aspectos como los esfuerzos mecnicos alos que se someten durante el funcionamiento;estos esfuerzos dependen de la carga o aplica-cin. Existen distintos tipos de esfuerzos, como losexternos o directamente dependientes de la apli-cacin (momento, peso del elemento de transmi-sin, fuerza radial externa, fuerza axial, esfuerzossobre la estructura); y los internos, inherentes al pro-pio motor, independientemente de la mquinaaccionada (pesos propios, fuerzas radiales y axia-les de atraccin magntica, desequilibrios internos,etc.)10. En el caso del prototipo el motor de CD fuecolocado directamente sobre la flecha del bio-rreactor, tomndose en cuenta los esfuerzos querealiza sta al girar, adems de ser desmontablepara una mayor facilidad de mantenimiento.

Los parmetros mecnicos del motor como lastensiones en el eje, deflexiones en el eje, velocida-des angulares crticas, cojinetes, etc., le profierende caractersticas necesarias para soportar los es-fuerzos; dichas caractersticas son inherentes alfabricante.

MATERIAL Y MTODOS

La instrumentacin del biorreactor prototipo con-siste de:

a) Estacin de trabajo.b) Circuitos de alimentacin.c) Control de velocidad.d) Control de temperatura.e) Sistema de recirculacin.f) Sensores de impedancia.

Estacin

En el proceso de armado, se construy una estruc-tura que cumple con los requerimientos mnimosnecesarios para llevar a cabo cinticas de fermen-tacin sin problemas.

Para la construccin de la estacin del biorreac-tor prototipo, se construy una estructura de ace-ro, con soleras y ngulos (Figuras 7, 7a y 7b). Lasdimensiones no son similares a la de los biorreac-tores comerciales, los cuales son ms pequeos;


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sin embargo, se observa que esta estructura estdiseada para contener todos los instrumentosnecesarios.

Cerrando la estructura, se encuentran lminasde acero inoxidable en tres de los cuatro lados delbiorreactor. Las lminas de acero inoxidable, fue-ron lijadas y pintadas para una mejor presentacin.Dentro de la estructura, se colocaron ngulos deacero para soportar la instrumentacin del bio-rreactor, as como el tanque y el motor, los cualesfueron soldados.

En la parte inferior, se coloc una tabla de ma-dera tipo triplay de 5 mm de espesor, la cual fuesellada para volverlo impermeable, debido a queen un biorreactor se manejan lquidos que fcil-mente pueden derramarse. En esta tabla se colo-caron 4 ruedas que nos permiten transportar laestructura. La estructura final, contiene tanto loscomponentes bsicos, como la instrumentacin deun biorreactor.

En el biorreactor, para colocar el sustrato y elorganismo a fermentar, se cuentan con dos tan-

ques de vidrio borosilicato (PIREX), de uno y treslitros de capacidad. Dichos tanques tienen unadoble camisa para circulacin de agua con en-trada y salida. La tapa, la flecha y el agitador es-tn fabricados de acero inoxidable. La tapa cuen-ta con orificios de entrada para los diversossensores. El agitador con el que cuenta el siste-ma es una turbina de disco de aspas planas, lacual provee un flujo tangencial o radial, y estdiseado cuando se tiene una viscosidad menora cinco2.

Circuitos de alimentacin de los instrumentos

Se disearon dos circuitos de alimentacin paralos diversos instrumentos del biorreactor variabley constante- tomando en cuenta las caractersti-cas y necesidades de voltaje y corriente de cadauno.

La fuente de alimentacin variable consta bsi-camente de cuatro etapas. La primera es la tomade corriente alterna que ser la base de la alimen-

68.9

12.116.9

5.2

7.6

14.2

57

25.3

11.6

15

33

90.1

21.1

22.8

46.2

25.443.5

50.7

Vista frontal (acotacin en cm.)Figura 7. Diagramas de laestacin


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tacin de nuestro circuito, despus de haber ali-mentado el circuito, se pasa a la etapa de rectifi-cacin de la seal obteniendo a la salida 24 volts.En la siguiente etapa se presenta la amplificacinde corriente, que ser entregada a la etapa deregulacin por medio del circuito integrado LM723que nos entrega una corriente de mximo 2 am-peres y conjuntamente un voltaje que podr servariado (de 0 a 24 volts) por un divisor de voltajeque nos proporcione la salida deseada.

En esta etapa se muestra que al circuito elctri-co, conformado en su entrada por un transforma-dor reductor a 24 volts, le sigue un puente de dio-dos que soporta una corriente de 2 amperes y uncapacitor de 4700F a 50 volts que se encargande la rectificacin de la seal reducida, en la si-guiente etapa se presenta una amplificacin decorriente generada por transistor tipo PNP de po-tencia 3055, este dispositivo tiene una proteccinpor medio de un diodo interno que no permite elpaso de corrientes inversas, adems de una resis-tencia limitadora de corriente.

Al trmino de la etapa de potencia, la corrientese divide, entrando una parte al regulador LM723,este factor de divisin es generado por la canti-dad de corriente que es capaz de soportar el re-gulador. El regulador entrega a la salida una co-rriente mxima de 200 mA y un voltaje reguladoque va desde 0 a 24 volts. Aunado a esta salida sesuma la corriente de reforzamiento, esta corriente

69

39.2

22.8

7

68.9

46.5

4.4

18.1

25.4

Vista superior (acotacin en cm.)Figura 7a. Diagramas de laestacin

Vista isomtrica

Figura 7b. Diagramas de la estacin


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+

D1T

F

SCA

gnd

C1 D1

R2

Q1

NPN

R1

125462

3

1191013

7

18

14

C2R3

R6R5

R4

-+gnd

V+IN+IN-

REFCLIM

CSEN

VCVZOUT

FCOM

V-

NCNC

U1

LM723

NC

Figura 8. Alimentacin variable.

proviene del divisor producido a la entrada del re-gulador. Esta suma de corriente nos da como re-sultado una salida de 2 Amperes, con un voltajeregulado al valor que nos proporcione el divisor devoltaje. Esta variacin puede ser modificada poruna resistencia variable (potencimetro de 5K)que es parte del divisor con la cual se realizan lasvariaciones de voltaje de salida que se necesiten.Cabe mencionar que la variacin de velocidaddel motor es generada por los cambios en voltajede la alimentacin del motor (Figura 8).

El sistema de alimentacin fija (Figura 9) presentaun arreglo sencillo, ya que este utiliza una varie-dad de reguladores de voltaje, para el caso deuna salida de 5 volts, se utiliza el LM7805 y para elcaso de 5 volts se utiliza el regulador LM7905 ycada salida de voltaje utiliza un regulador en es-pecial que ms adelante sern especificados. Ensu primer etapa este circuito es alimentado por unacorriente alterna de 127 V, siguiendo la etapa derectificacin por medio de puentes de diodos ca-

paces de soportar una corriente de 2 amperes,para la obtencin de una corriente directa de 24volts que ser entregada a la etapa de regulacin,esta etapa presenta una regulacin negativa y unapositiva, en cada caso por su regulador en espe-cfico, para esto se tiene un arreglo diferente en laetapa de alimentacin y rectificacin que se po-dr observar en el diagrama elctrico. Este arre-glo es utilizado debido a que en la instrumenta-cin del biorreactor es necesaria la alimentacinpositiva tanto como la negativa.

Como la fuente de alimentacin es fija y se ne-cesitan voltajes diferentes a la vez, la regulacinse lleva acabo por diferentes circuitos integrados(reguladores de voltaje) que operan al mismo tiem-po entregando los voltajes requeridos (5, -5,12,-12,15,-15 volts) que sern entregados a la etapade salida.

En el diagrama elctrico se puede observar quese presenta un arreglo en paralelo de dos transfor-madores reductores a 24 volts y una corriente de


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500 mA, los cuales nos entregan un voltaje paraser rectificado por dos puentes de diodos (W002capaces de soportar una corriente mxima de 2amperes). Cada puente de diodos nos entrega unvoltaje positivo de 24 volts que es utilizado por dosreguladores al mismo tiempo, de igual manera nosentrega un voltaje negativo de 24 volts por cadapuente de diodos. En el arreglo de los transforma-dores, una de las derivaciones laterales es toma-da como comn, para ser tomada por todos losreguladores, esto es, cada regulador toma el co-mn y una alimentacin positiva o negativa pro-veniente de uno de los dos puentes de diodos yentrega el voltaje a la salida.

En la regulacin positiva utilizamos el circuito in-tegrado LM7824 para una salida de 24 volts, elLM7815 para una salida de 15 volts, el LM7812 para12 volts, y el LM7805 para 5 volts. En la regulacin

++

++

++

+

+

+

+

+

+

+

+

Figura 9. Alimentacin fija.

negativa se utiliz el circuito LM7924 para una sali-da de 24 volts, el LM7915 para una salida de 15volts, el LM7912 para 12 volts y el LM7905 para lasalida de -5 volts.

Motor

El motor utilizado para la agitacin del cultivo esde corriente directa, el cual fue adaptado toman-do en cuenta las caractersticas de espacio dispo-nible y agitacin. Estos motores no presentan va-riacin en la velocidad ni variaciones de voltaje, ysu consumo de corriente es bajo (Figura 10).

Con este motor las mediciones obtenidas de lasfermentaciones se pueden considerar que estnbajo las mismas condiciones de velocidad de agi-tacin, esta agitacin se aplica aproximadamen-te desde 150 rpm que se mantienen constantes


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Para la instalacin del motor, se dise una basede 15 cm de largo por 20 de ancho y 7 cm deprofundidad, colocado en la parte superior de laflecha del biorreactor hacindola girar al unirla conla flecha del motor, eliminando as la necesidadde la banda y a su vez proporcionando una me-

nor potencia para la realizacin de este trabajo.Asimismo, se dise el control de velocidad basa-do en una fuente variable de corriente directa, quevara de 0 a 24 volts, con la cual obtenemos losvoltajes necesarios para generar las velocidadesnecesarias para la agitacin del biorreactor.

Tacmetro

El tacmetro diseado para el tanque agitado delbiorreactor prototipo est diseado para trabajara frecuencias entre 0 y 33.33 Hz (de 0 a 2000 rpm).Dicho diseo consta de varias etapas. La primeraetapa es la de sensado (Figura 11). Se utiliz uncircuito integrado ITR 1180, el cual es un interrup-tor ptico con salida de modo transistor. Interna-mente, es un diodo emisor infrarrojo, el cual estcolocado frente a un fototransistor de silicn NPNen un molde de plstico. Una ranura en el monta-je entre el emisor y el detector nos provee los me-dios para interrumpir mecnicamente el haz infra-rrojo. Trabaja con una corriente de colector de 5mA, con un voltaje de entrada de 5 volts. El voltajede saturacin es de 1.8mA11. Este dispositivo nosentrega una seal cuadrada con una frecuenciarelativa a las revoluciones por minuto de veloci-dad del motor. Para obtener esta seal, se colocun disco en el eje con una ranura, la cual permiteel paso de luz por el optointerruptor obteniendoas un tren de pulsos.

En la siguiente etapa se trata la seal invirtin-dola y amplificndola. La inversin es requeridapuesto que el optointerruptor, mientras se inte-rrumpe el haz, nos entrega una seal de nivelalto, al dejar pasar el haz infrarrojo, tenemos unnivel bajo. De esta manera, el tren de pulsos esadecuado para mandarlo a la etapa de con-versin. Se amplifica la seal debido a que a lasalida tiene un valor de voltaje muy pequeo, yla siguiente etapa requiere de una seal de vol-taje mayor.

En la etapa final (Figura 12), comnmente seelegira un circuito contador de pulsos; sin embar-go, se eligi un CI LM2917, el cual es un converti-dor de frecuencia a voltaje12, cuya aplicacin msimportante es la construccin de tacmetros. Lamayora de los circuitos convertidores de frecuen-cia a voltaje requieren de un gran nmero de com-ponentes adicionales para poder ser utilizados enla construccin de circuitos. En cambio, el circuitoLM2917, tiene todos los elementos necesarios parasu funcionamiento, y de esta manera, slo necesi-ta un nmero mnimo de componentes externos.

Figura 10. Motor de corriente continua

R

R2

gnd

In

In

gnd

ou

ou

Figura 11. Etapa de sensado.


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9

VCC1

TH111TH210

IN-4

IN+2CAP3CP0

8

C5

E12

GND

LM2917NR4

10 k

R5

200

R3

R1150 k

12 v

gnd

R250 k

C1

0.047u

gnd

+-

C2

47 u

gnd

gnd

out hi

out lo

+

C3

10 u

gnd

Figura 12. Etapa de con-versin de frecuencia avoltaje.

Este circuito tiene tres componentes bsicos:un amplificador de entrada con histresis inclui-da, un convertidor de frecuencia a voltaje debomba de carga, y un amplificador operacio-nal comparador con un transistor de salida. Ade-ms, cuenta con un diodo zener que cumple lafuncin de regulacin. El amplificador de entra-da tiene una histresis a 15mv, la cual proveeun switcheo limpio donde se presente ruido en laseal de entrada, y nos permite un rechazo totaldel ruido debajo de la amplitud donde no hayseal de entrada.

La bomba de carga, convierte la frecuencia deentrada en voltaje de corriente directa. Para ellose requiere de un capacitor, una resistencia desalida y un capacitor integrativo. Cuando el esta-do de entrada cambia, el capacitor se carga o sedescarga linealmente entre dos voltajes cuya di-ferencia es Vcc/2. Entonces, en la mitad de un ci-clo de la frecuencia de entrada o en un tiempo

igual a fin el cambio en la carga del capacitores igual a Vcc/2*C. La cantidad promedio de co-rriente bombeada hacia o desde el capacitor esigual a:

INAVGc fVcc

Ci 221)(

(1)

El capacitor integrativo depende solamente dela cantidad de voltaje de rizo permitible y el tiem-po de respuesta requerida.

Sistema de recirculacin

En nuestro caso, el vaso cuenta con una doblecamisa la cual permite el reflujo de agua a dife-rentes temperaturas, para el mantenimiento de latemperatura deseada. El contenedor de agua estfabricado de polipropileno, en el cual se colocala resistencia, bomba de reflujo, el sensor de nivel,sistema de desage.


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La tubera que conecta al contenedor con lacamisa del vaso del biorreactor, est constituidapor tubera de PVC en una parte y el complemen-to es de manguera de ltex. La primera parte esrgida, ya que no se necesita movimiento, ademsde ser una opcin ms factible hacia el colocadoy fijado, la segunda parte de la tubera se instalde hule ltex ya que las uniones necesitan mayormovilidad para el enroscado.

Para la distribucin de agua a travs de las tu-beras y vaso, se utiliza una bomba de reflujo, lacual nos proporciona la fuerza necesaria para cu-

brir la necesidad de proporcionar temperatura alcultivo. En el interior del tanque contenedor deagua, se localiza el sensor de nivel, el cual fue di-seado con un tubo de PVC y conductores quenos indican el nivel de agua. La deteccin de ni-vel de este sensor se da al alcanzar el nivel de aguaa alguno de los conductores, el agua se compor-ta como un electroltico, generando continuidadque se podr observar en unos diodos emisoresde luz (LEDs), los cuales estn acomodados detal forma que indiquen un nivel alto, medio o bajo.La comparacin del nivel de agua se realiza conrespecto al nivel mnimo de agua con que puedetrabajar la bomba de reflujo, cabe mencionar queeste tipo de bombas al trabajar sin la mnima can-tidad de agua pueden sufrir daos y hasta que-marse, y el nivel mximo es considerado por lacantidad mxima de agua que se puede calen-tar en un tiempo determinado (10 min), nuestroclculo es de aproximadamente 5 litros, y un flujode 4.33 litros por minuto, con los que se cumplenlos dos requerimientos para un ptimo trabajo denuestro sistema de reflujo.

Sensores de impedancia

Para la medicin de la impedancia en el mediode cultivo, se utilizaron electrodos cuyo diseoconsta de un alambre de aleacin cobalto-titaniocon un recubrimiento de vidrio pirex. Estos electro-dos se colocan en el tanque del biorreactor conuna disposicin geomtrica distanciados 8 cm yse conectan al equipo de medicin de impedan-cia (Figura 13).

RESULTADOS

Estacin

La estacin construida contiene la instrumentacinnecesaria para que se lleve a cabo la fermenta-cin adems de incluir al motor y al tanque don-de se adiciona el medio (Figura 14).

Motor

El sistema de alimentacin variable nos entregaun voltaje de cero hasta 24 volts para la alimenta-cin del motor. Este sistema no presenta variacio-nes de voltaje que afecten el crecimiento de losmicroorganismos, obteniendo resultados satisfacto-rios en la aplicacin de este sistema. El motor seconecta a la flecha del tanque de manera directa.

Aislamiento

Tubo de vidrio

Alambre

Figura 13. Sensor de impedancia.

Figura 14. Estacin del biorreactor.


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Velocidad del motor

El sistema de alimentacin variable nos entregaun voltaje de cero hasta 24 volts para la alimenta-cin del motor encargado del giro de la flechadel vaso del biorreactor y de la agitacin del siste-ma. Este sistema no presenta variaciones de vol-taje que nos afecten el crecimiento de los micro-organismos. Obteniendo resultados satisfactoriosen la aplicacin de este sistema. El sistema de ali-mentacin constante nos entrega los voltajes utili-zados por los circuitos de sensado y control de lasvariables de biorreactor como son el tacmetrodigital, entre otros.

Tacmetro

El tacmetro diseado nos permite conocer lasrevoluciones por minuto que nos genera el motorde corriente directa en un rango de 0 a 2000 rpm.El rango que sensa es muy amplio, debido a lascaractersticas del circuito integrado LM2917 utili-zado.

Para conocer el comportamiento de este circui-to, as como para conocer el nivel de voltaje co-rrespondiente a cada frecuencia, se realiz la ca-racter izacin a las condiciones de uso deltacmetro, dentro del biorreactor (Cuadro 3).

La curva de caracterizacin del tacmetro nosmuestra el comportamiento claramente lineal y elcoeficiente de correlacin calculado es de 0.998(Figura 15); dicho comportamiento nos permiteaseverar que se tiene un control preciso de la ve-locidad de agitacin del cultivo, y que, por lo tan-to no afecta de manera negativa al crecimiento

del microorganismo sino que provee de una ho-mogeneizacin de todos los nutrientes y oxgenoen el cultivo.

Sistema de circulacin de agua

Se dise el sistema de circulacin de agua a tra-vs de la camisa del tanque del biorreactor el cualtiene la finalidad de mantener una temperaturaptima para nuestro cultivo. El agua en el conte-

Cuadro 3. Caracterizacin del tacmetro digital.

Frecuencia de Velocidad Voltaje deentrada (Hz) (rpm) salida (v)

0.238 1428 0.0487.518 451.12 0.47.96 477.64 0.569.2 552.05 0.61

11.87 712.27 0.7613.62 817.28 0.8414.35 861.08 0.917.33 1039.90 119.76 1185.71 1.123.52 1411.34 1.426.1 1566.15 1.530.21 1812.78 1.635.33 2120.01 1.8 Figura 16. Contenedor y tomas del sistema de reflujo de

agua.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 10 20 30 40Frecuencia de entrada (Hz)

Volta

je d

e s

alid

a (v

olts

)

Figura 15. Curva de caracterizacin del tacmetro


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450

500

550

600

650

700

0 0.2 0.4 0.6 0.8Absorbancia

Imp

eda

ncia

(ohm

s)

Figura 17. Comparacin entre absorbancia e impedan-cia.

nedor se calienta por medio de una resistencia conalimentacin de lnea para ser impulsada hasta laentrada inferior de la camisa del biorreactor pormedio de una bomba y que posteriormente retor-ne al contenedor. (Figura 16).

Sensor de temperatura

Se dise un circuito que se basa en la lectura deun sensor (circuito LM35). El LM35 es un circuitocapaz de entregarnos un voltaje de 10 mV por gra-do centgrado, el sensor se caracteriza con respec-to a termmetros de mercurio y a un termocouple.El comportamiento que presenta el sensor es linealpor lo que podemos decir que este dispositivo esconfiable en la medicin.

Tomando como referencia el valor obtenido delsensor de temperatura, ste se introduce en un cir-cuito comparador, el cual se encargar de con-trolar los valores bajos y altos de temperatura.

Sensor de impedancia

Se real izaron fermentaciones en un mediomnimo -malta-levadura, glucosa y minerales-con el microorganismo Saccharomyces cere-visiae. Las fermentaciones se realizaron en elbiorreactor prototipo con el fin de validar el mtodoimpedanciomtrico utilizado. En la evolucin dela impedancia (Figura 17) se observa un aumento

de la impedancia con el tiempo con una ten-dencia bsicamente lineal. Se compararon estosresultados con muestras de absorbancia obte-niendo una relacin lineal (coeficiente de corre-lacin de 0.98).

CONCLUSIONES

Se dise y construy un prototipo de biorreactorpara fines experimentales en donde se desarrollla instrumentacin elemental para las medicio-nes de temperatura, nivel, velocidad de agita-cin, biomasa; con dispositivos adecuados y re-emplazables con facilidad que adems cuentancon caractersticas de precisin aceptables encomparacin con los equipos comerciales. Seemple una nueva tcnica para la medicin debiomasa de menor costo y mayor accesibilidad,la cual se realiza en lnea evitando retrasos en eltiempo de muestreo y que mostr resultados satis-factorios. La importancia de todo esto radica enque nos permite utilizar medios electrnicos acce-sibles para el sensado de las variables implicadasen los procesos biotecnolgicos de una manerarpida y econmica.

BIBLIOGRAFA

1. Stanier R, Adelberg E, Ingraham J. General Microbiology.MacMillan Press LTD. [Great Britain], 1977.

2. Ward OP. Biotecnologa de la Fermentacin. Acribia. [Es-paa], 1991.

3. Schgerl K. Bioreaction Engineering. Vol. 2. John Wiley andSons. [Great Britain], 1990.

4. McNeil B, Harvey LM. Fermentation: a practical approach.In: Laboratory Fermenters. IRL press. Oxford University, 1990.

5. Bailey JE. Biochemical Engineering Fundamentals. Secondedition. McGraw-Hill. [Singapore], 1986.

6. Geddes LA, Baker LE. Principles of applied biomedical ins-trumentation. John Wiley & Sons. [New York], 1989.

7. Schgerl, Biotechnology, Vol. 4.8. Felice C. Microbiologa de Impedancia, Tesis de doctora-

do. [Argentina], 1992.9. Richards JCS, Jason AC, Hobbs G, Gibson DM, Christie RH.

Electronic measurement of bacterial growth. Journal ofPhysics E. 11: 560-568.

10. Lobosco O, Dias J. Seleccin y aplicacin de motores elc-tricos. Siemens Aktiengesellschaft. Marcombo. [Barcelona],1989.

11. Motorola Optoelectronics Device Data. Motorola. [U.S.A.],1989.

12. National Semiconductor Linear Applications Handbook.National Semiconductor. [USA], 1986.

instrumentacion bioreactor

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