DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA UN BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO

Morgan G. Vásquez

Resumen

El presente trabajo muestra de forma general los elementos que hacen parte del sistema de control de un biorreactor de tanque agitado. Se presentan los sensores y actuadores comúnmente utilizados y un esquema de conexiones para el proceso.

Palabras Clave: Biorreactor de tanque agitado.

1 BIORREACTORES

El biorreactor, es sin duda, uno de los equipos fundamentales de la microbiología industrial. Es el recipiente donde se realiza el cultivo, y su diseño debe ser tal que asegure un ambiente uniforme y adecuado para los microorganismos [1].

Las "tareas" que realiza el biorreactor pueden resumirse del siguiente modo:

a) Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo a fin de prevenir la sedimentación o la flotación.

b) Mantener constante y homogénea la temperatura.

c) Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.

d) Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.

e) El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente sembrado con el microorganismo deseado.

Para satisfacer los cuatro primeros puntos es necesario que el biorreactor esté provisto de un sistema de agitación, además para el punto d) se requiere de un sistema que inyecte aire en el cultivo.

1.1 ELEMENTOS DEL BIORREACTOR

El biorreactor de tanque agitado es de uso muy difundido. La agitación se realiza mecánicamente mediante un eje provisto de turbinas accionado por un motor, como muestra la figura 1.

El aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es distribuido por una corona que posee pequeños orificios espaciados regularmente. El chorro de aire que sale de cada orificio es "golpeado" por las paletas de la turbina inferior generándose de este modo miles de pequeñas burbujas de aire, desde las cuales

difunde el 02 hacia el seno del líquido. El sistema de agitación se completa con cuatro o seis deflectores que tienen por finalidad cortar o romper el movimiento circular que imprimen las turbinas al líquido, generando de este modo mayor turbulencia y mejor mezclado.

El tanque está rodeado por una camisa por la que circula agua, lo que permite controlar la temperatura. Para tanques mayores que 1000 o 2000 litros este sistema ya no es eficiente y es reemplazado por un serpentín que circula adyacente a la pared interior del tanque. Debe tenerse en cuenta que a medida que es mayor el volumen de cultivo también lo es la cantidad de calor generado, por lo que se hace necesario una mayor área de refrigeración. Los tanques son de acero inoxidable y están pulidos a fin de facilitar la limpieza y posterior esterilización.

El aire que ingresa al biorreactor debe estar estéril, lo que se consigue haciéndolo pasar por un filtro cuyo diámetro de poro es de 0,45 micrones, que impide el paso de microorganismos y esporos.

Figura 1: Biorreactor de tanque agitado.

1.2 ELEMENTOS BÁSICOS

Para lograr los objetivos, un biorreactor de tipo tanque agitado debe contar con los siguientes componentes [2]:

Cuerpo del biorreactor: recipiente o contenedor que alberga al cultivo o microorganismo. El contenedor es la frontera física entre el ambiente externo contaminado y el ambiente interno controlado. Un tanque contenedor o cuerpo del biorreactor se debe

construir en acero inoxidable austenítico, por sus características químicas y físicas superiores; usualmente se prefiere los aceros de las series 316.

Sistema de agitación: tiene la función de generar la potencia necesaria para producir una mezcla perfecta para el sistema de cultivo y producir un régimen de agitación adecuado que, maximice la difusión de gases en el líquido y minimice la producción de esfuerzos cortantes y la presión hidrodinámica local y global, para optimizar los fenómenos de transferencia de momentum, calor y masa.

Un sistema de agitación consta de las siguientes partes mecánicas:

Motor impulsor: Motor de Inducción (A.C): dado que un biorreactor debe operar de forma continua durante todo el proceso de cultivo; se requiere un motor capaz de resistir largos periodos de operación continua y trabajo duro; por eso, el motor debe ser de inducción de corriente alterna (a.c) y debe ser acorazado, preferiblemente en acero inoxidable.

Eje trasmisor de potencia: es una barra cilíndrica de acero inoxidable 316L y por lo general se diseña en diámetros estándar: ¾”, ½”, etcétera para mayor facilidad de ajuste a los estándares de motores a.c. Su longitud depende de la profundidad del contenedor (tanque).

Puerto de entrada del biorreactor: se denomina puerto a la superficie física sobre el cual se instala un dispositivo de entrada o salida al biorreactor, un anclaje o un aparato mecánico o de medición; el puerto es el medio por el cual, se ajusta o fija, tal dispositivo o artefacto a la pared o superficie del tanque o del biorreactor.

Sello mecánico: su función es triple: evitar la contaminación, mantener hermético el sistema, servir de amortiguador de fricción. El sello mecánico también debe permitir la esterilización in situ del biorreactor, mediante una línea de vapor sobrecalentado.

Eje transmisor de potencia: transmite la potencia del motor al impulsor a través de las hojas de agitación. Existen ejes en los cuales ya vienen incorporadas hojas o aspas de agitación, se diseñan para operar en uno de dos sistemas de flujo, según sea, la orientación espacial de las hojas o aletas.

Turbinas: es un impulsor de flujo axial el cual opera como una centrífuga que distribuye el flujo de líquido a través de hojas planas, a todo el volumen de fluido.

El impulsor axial ha demostrado ser la forma más eficiente de diseño para reducir esfuerzos cortantes e hidrodinámicos y disminuir la turbulencia y la potencia requerida para homogenizar el mezclado; objetivo que se persigue en una mezcla perfecta. Por eso se recomienda impulsores de flujo axial para cultivar células sensibles o de membrana plasmática. Dentro de éstas, la turbina Rushton es el impulsor de flujo axial más recomendado y más eficiente para generar una mezcla perfecta de alto perfil hidrodinámico, bajo en esfuerzos cortantes y altos en distribución.

2 SISTEMAS DE CONTROL

2.1 CONTROL DE VELOCIDAD DEL MOTOR

Los motores de inducción de corriente alterna (a.c) tienen velocidades nominales de rotación de 1800rpm o 3600rpm. Estas velocidades son muy altas para los sistemas biológicos causando la destrucción de las células y microorganismos en cultivo. La velocidad de rotación del motor debe entonces reducirse a un máximo de 600rpm (revoluciones por minuto) para que no cause daño celular. Usualmente se acopla a la salida de eje del rotor una caja de reducción de 1/3 o 1/6 para bajar la velocidad de rotación a 600rpm. Adicionalmente se coloca un control de velocidad que puede ser analógico o digital al motor para un control más fino y preciso de la velocidad de rotación.

2.2 CONTROL DE TEMPERATURA

Mantiene estable y dentro de un rango óptimo requerido por el cultivo para su máximo crecimiento, la temperatura interna del sistema.

Un sistema de control de temperatura consta de:

Un sistema de intercambio térmico:

Intercambiador de calor: dispositivo de intercambio térmico que absorbe el calor excedente. Se define por su área de transferencia de calor; a mayor área de transferencia de calor, mayor capacidad de absorber calor.

Un sistema de control:

Controlador de temperatura: sistema que ordena y regula la acción del motor que controla las servo- válvulas que regulan el flujo de líquido frío o caliente.

Un sistema de medición:

Sensor de temperatura: sonda (termocopla) que mide la temperatura.

Un servo control:

Servo controlador de temperatura: controla la temperatura a la que debe abrir o cerrar la válvula solenoide.

Un sistema regulador de paso de flujo:

Válvula solenoide: servo mecanismo actuador que regula el flujo (paso) de líquido por la tubería o línea de paso (abre o cierra el flujo del líquido).

Un sistema de conducción de fluido:

Tuberías de conducción de agua: el agua es fluido térmico por excelencia para la transferencia de calor por conducción a través de las paredes metálicas de la tubería. Éstas deben ser de acero inoxidable.

Las tuberías deben anclarse al cuerpo del biorreactor mediante un puerto de entrada que es soporte hermético que la sujeta a la superficie plana.

2.3 CONTROL DE pH (potencial de hidrógeno)

El sistema controla el pH del medio de cultivo; que es generada por los productos de desecho y el metabolismo propio del cultivo celular o microorganismos. Un sistema de control de acidez consta de:

Dos subsistemas mecánicos servo controlados

Sistema Dispensador de Ácido: que consta de:

Dispensador aséptico de ácido (HCl)

Filtro microporo en línea

Manguera flexible resistente al ácido

Bomba peristáltica

Sistema Dispensador de Álcali: que consta de:

Dispensador aséptico de álcali (NaOH);

Filtro microporo en línea

Manguera flexible resistente al álcali

Bomba peristáltica

Las mangueras flexibles se deben conectar al sistema (biorreactor) mediante un tubo de adición de reactivo para cada una de ellas.

Un sistema de control formado por:

Controlador de pH: ordena y regula la acción del motor que controla a las bombas peristálticas que suministran el ácido y el álcali.

Un sistema de medición: formado por:

Sensor de pH: sonda o probeta electroquímica que mide la acidez y “dice” al controlador de pH, la situación del medio.

pH Óptimo: toda célula y microorganismo poseen un rango de acidez (pH) dentro del cual, es posible su crecimiento con normalidad; dentro de ese rango, existe un pH óptimo en el cual el crecimiento es máximo y muy bien definido.

2.4 SISTEMA DE DIFUSIÓN DE OXÍGENO DISUELTO

Debe optimizar al máximo la transferencia de oxígeno disuelto al medio líquido. El sistema consta de dos partes mecánicas: boquilla y difusor de aire; una parte de medición: sensor de oxígeno disuelto y una de control: controlador de oxígeno disuelto.

Difusor de aire: los cultivos aeróbicos requieren que la corriente de aire estéril se difunda en la forma de miles de pequeñas burbujas, desde el difusor de aire, hacia el volumen del líquido; esta acción se realiza mediante un plato o domo cilíndrico de acero inoxidable finamente perforado. Alternativamente y si el sistema es pequeño o mediano en escala, se puede utilizar un difusor de material cerámico poroso el cual, tiene la ventaja de que, provee una cama más fina de burbujas (de menor diámetro) y mayor área de transferencia (volumen de burbujas).

Control y regulación del flujo de aire: las membranas que filtran el aire tienen un punto de burbuja y un flujo máximo por encima del cual, se rompen; por eso, se debe regular el flujo de aire y controlar la presión en la línea de aire. La forma más económica de hacerlo es manualmente, con un manómetro para presión. Existe también la versión digital, más costosa, pero que, controla de forma automática el flujo de aire y la presión, según se escoja.

Control y medición del oxígeno disuelto (OD): además de regular el flujo y la presión del aire en la línea o tubería, se debe controlar el valor y la concentración del oxígeno disuelto (OD) dentro del medio líquido; variable que puede medirse en dos formas (parámetros):

a) Oxígeno disuelto (OD): es la concentración de oxígeno disuelto requerido para la reducción química de un equivalente en iones sulfito (de sodio) a la cantidad de materia orgánica presente en el medio líquido que se debe oxidar.

b) Demanda bioquímica oxígeno (DBO): es la taza de oxidación biológica o demanda bioquímica de oxígeno disuelto requerida por el microorganismo o célula en cultivo para oxidar la materia orgánica presente en el medio líquido.

Una probeta o electrodo OD es un sensor que mide la concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido. Similarmente, una probeta o electrodo BOD mide la concentración de oxígeno disuelto en el medio líquido en equilibrio con el gas. ) En ambos casos, el material de su construcción debe ser acero inoxidable y su especificación es por la longitud de inmersión (H) y diámetro (D) de la probeta.

3 SENSORES Y ACTUADORES

Para la realización de este trabajo se han planteado unos rangos de operación para la selección de los elementos del proceso.

Capacidad del biorreactor: 10 Litros.Velocidad de agitación: 100-1500 rpm, potencia 1kw.Rango de temperatura: 20 a 40ºC. Enfriamiento/calentamiento 700w.pH: 2 a 10.Oxígeno disuelto: 0-100%.

Motor de agitación

El rendimiento del par del motor para un recipiente de 10 litros es de 1.32W/N.m y la velocidad de agitación está comprendida entre los 20 y 800 r.p.m. El acoplamiento del eje del motor es directo y el sellado es mediante un sello mecánico simple, además el impulsor es de paletas y para el sistema de aireación se usa un anillo de aspersión. En la figura 2, podemos ver el montaje de un motor de agitación sobre un recipiente.

Figura 2. Motor de agitación.

Sistema de control de temperatura para el recipiente de cultivo con camisa

Se utiliza un conector amphenol ECO|MATE para la calefacción por medio de la camisa y una válvula solenoide para la refrigeración con agua. La potencia del calentador eléctrico es de 1000W y la potencia de calefacción en la camisa es de 780W. Para las conexiones del recipiente de cultivo y la salida de refrigeración se utilizan acoplamientos rápidos. Para la medición de la temperatura se emplea una termocupla PT-100 con conector M12, como se ve en la figura 3. El rango de temperaturas está entre 0 y 150 ºC.

Figura 3. Termocupla con conector M12.

Sensor de pH

Para la medición del pH se utiliza un sensor del tipo Gel-filled con un conector VP, como podemos ver en la figura 4. Su rango está comprendido entre 2 y 12.

Figura 4. Sensor de pH con conector VP.

Bombas peristálticas

Las bombas peristálticas permitirán agregar el ácido o álcali al proceso, según sea necesario. Las bombas son del tipo Watson Marlow 102R para tubos con un espesor de 1.6 mm y una velocidad de rotación de 20 r.p.m. El rango del flujo por el tubo depende del diámetro y el grosor del tubo. El sistema de control aplicado a estas bombas, es del tipo on/off mediante el control de la modulación del ancho de pulso. En la figura 5 podemos ver la bomba peristáltica.

Figura 5. Bomba peristáltica.

Sensor de oxígeno disuelto

Para el oxígeno disuelto se utiliza un sensor de tipo polarográfico con conector VP, como se ve en la

Motor

figura 6. Su rango de medida está comprendido entre 0 y 250 %.

Figura 6. Sensor de oxígeno disuelto.

Torre de control

Este elemento se encarga de monitorizar y controlar todas las variables del proceso del biorreactor, como agitación, temperatura, pH, oxígeno disuelto y otras posibles variables del proceso. Está hecho de acero inoxidable, cuenta con una pantalla táctil y su control se hace mediante comunicación Ethernet. La alimentación eléctrica es de 110-230V|6A y su consumo máximo es de 2000W. Además posee una rutina guiada para la calibración de los sensores. Esta descripción para la torre de control se debe tomar como un ejemplo, ya que en el mercado existen muchos modelos que incluyen estas características o inclusive son más sofisticados y cuentan con muchas más opciones que permiten un mejor control y monitorización del proceso. En la figura 7 podemos ver la apariencia de este elemento.

Figura 7. Torre de control.

Un ejemplo de la información que podríamos encontrar en una torre de control por medio de su pantalla, sería lo que vemos en la figura 8.

Figura 8. Captura de pantalla.

En la figura 9 podemos ver el esquema de conexiones entre los elementos sensores y actuadores y la torre de control que hemos descrito anteriormente.

Figura 9: Esquema de montaje.

En la figura 10 se muestra un sistema de control de temperatura más detallado para el proceso.

Figura 10. Sistema de temperatura.

Agradecimientos

A los profesores de la asignatura de Dispositivos de control por sus conocimientos brindados.

Referencias

[1] Ertola Rodolfo, Yantorno Osvaldo y Mignone Carlos. “Microbiología Industrial”, Sistemas de cultivo y aspectos generales de biorreactores, Capítulo 7.

[2] Koshkin N. I., Shirkévich M. G. «págs 36, 74-75, 85-86», “Manual de Física Elemental”. Editorial Mir 1975.