XIX Congreso Nacional de Ingeniería Bioquímica
XIX National Congress of Biochemical Engineering VIII Congreso Internacional de Ingeniería Bioquímica
VIII International Congress of Biochemical Engineering XII Jornadas Científicas de Biomedicina y Biotecnología Molecular
XII Biomedicine and Molecular Biotechnology Scientific Meetings
Clave: IBQ56RCA20131228 DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE UN BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO AGITADO R.L. Castañeda-Aguilar *1; V. Ibarra-Junquera1; J.J. Virgen-Ortiz1; P. Escalante-Minakata1, J. A. Osuna-Castro 2; A. González Potes 3.
DIRECCIÓN DE LOS AUTORES 1
Laboratorio de Bioingeniería, Universidad de Colima, Coquimatlán, Col. 28400. México.
2
Facultad de Ciencias Biológicas y Agropecuarias, Universidad de Colima.
3
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Un iversidad de Colima.
CORREO ELECTRÓNICO
[email protected];;
[email protected] [email protected]
XIX Congreso Nacional de Ingeniería Bioquímica VIII Congreso Internacional de Ingeniería Bioquímica XII Jornadas Científicas de Biomedicina y Biotecnología Molecular
INTRODUCCIÓN Hoy en día, la biotecnología está revolucionando la producción de medicinas, alimentos, fertilizantes y otros productos de alto valor añadido, en consecuencia, cada vez más laboratorios de investigación y desarrollo en el mundo están investigando y produciendo biomoléculas naturales o modificadas, tales como proteínas, péptidos y anticuerpos. En todos estos casos los biorreactores son el corazón del proceso debido a que pruebas, optimización, y diseño de sistemas de monitoreo y control suceden en ellos. En particular el diseño, operación, supervisión y control de biorreactores constituye un elemento fundamental en gran número de procesos cuya eficiencia depende del funcionamiento óptimo del sistema de reacción (Ibarra-Junquera et al ., ., 2010). Un biorreactor es un dispositivo biotecnológico en cuyo interior interior se efectúan efectúan reacciones químicas catalizadas por microorgansimos o sustancias bioquímicamente activas, derivadas de los mismos. El diseño de biorreactores es una tarea de ingeniería compleja, desde el punto de vista biológico el biorreactor debe proveer internamente un ambiente que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo (Liu, 2013). 2013 ). Externamente es la frontera que protege el cultivo del ambiente no controlado y debe implementar los controles necesarios para que la operación o bioproceso se lleve a cabo con economía y alto rendimiento en el menor tiempo posible, esa es la parte tecnológica (Cabrera et al ., ., 2003).
Actualmente existen biorreactores comerciales de tanque agitado (STB) tipo benchtop pero son poco flexibles en relación a su software de control y modos de operación. Además, el costo de un modelo básico oscila entre los 30,000 y 40,000 dólares; lo cual afecta la capacidad adquisitiva de investigadores y universidades. Por ello se propone desarrollar un STB tipo benchtop en el cual se puedan monitorear variables de proceso en línea e implementar distintas leyes de control, con diferentes técnicas de control en tiempo real desde el Simulink de Matlab. El uso de un software extensamente utilizado en la academia posibilita llevar a la práctica recientes desarrollos de teoría control, creando así una herramienta de trabajo para académicos interesados interesados en innovar en el campo del control de procesos (Aros y (Aros y Cifuentes, 2003).
OBJETIVOS - Diseñar y construir los elementos de un STB que permitan un desempeño óptimo bajo distintos modos de operación, con capacidad de hasta 5 litros. - Diseñar y construir componentes electrónicos de alta precisión y bajo costo, los cuales permitan el monitoreo y control del STB en línea utilizando el Simulink de Matlab, en base a un microcontrolador. - Implementar una interfaz hardware-PC que permita explorar diferentes leyes de control de biorreactores y diseño de observadores desde Simulink de Matlab.
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MATERIALES Y MÉTODOS Para el diseño de elementos mecánicos se utilizaron materiales disponibles de forma comercial, esterilizables y de bajo costo. Usando como material de diseño un plástico a base de una poliamida (Nylon 6/12), con el que se fabricaron la mayor parte de elementos mecánicos (en las figuras aparece color hueso). La tornillería es de acero inoxidable (316L) y los cilindros del cuerpo de vidrio (Borosilicato). Además se consideraron normas de diseño del ANSI e ISO. En la etapa de instrumentación se utilizaron componentes electrónicos económicamente accesibles, de alta precisión. Las variables que se miden en línea son: biomasa (Fogale evo200), pH (Hanna Instruments HI 1230B), ORP (Hanna Instruments HI 1230B), temperatura (termopar tipo J) y grados Brix (Anton Paar L-Dens 313). La adquisición de datos y el control del proceso se ejecuta en un sistema embebido basado en un microcontrolador (µC) PIC18F46K22. Las variables de proceso controladas tienen la posibilidad de realizar seguimiento de trayectorias y son la velocidad del motor impulsor (Mercury SM-42BYG011-25) y la alimentación de sustrato mediante una servobomba (Grundfos DMS-2). Finalmente se desarrolló una interfaz de monitoreo y control de variables desde el Simulink de Matlab estableciendo comunicación con el µC por medio de un conversor de protocolos serial-USB (MCP2200).
DESARROLLO Debido a la naturaleza multidisciplinaria requerida por la investigación se ha dividido en 3 etapas de acuerdo al área de ingeniería que mayor impacto tiene en su desarrollo. En la primera etapa se concibieron, diseñaron y construyeron los elementos mecánicos del STB. Para ello se consideraron ventajas y desventajas de biorreactores comerciales análogos. Algunas de las mejoras propuestas son: capacidad para variar el volumen de trabajo, implementación de un sistema de regulación térmica en el medio de cultivo, puertos de entrada en la parte inferior, posibilidad de cambio en el modo de operación, capacidad para cambiar la geometría del impelente. Como apoyo en el proceso de diseño se utilizó el software Inventor 2012. La segunda etapa consistió en diseñar y construir los elementos relativos a las áreas de eléctrica y electrónica; para realizar la el monitoreo y control desde la PC. El resultado de esta etapa es el hardware requerido para realizar monitoreo y control en línea. El diseño electrónico se realizó en el software de Labcenters Electronics Proteus 8.0 y la programación del µC se implementó en C con ayuda del CCS PIC Compiler 4.130. En una tercera etapa se desarrolló una interfaz de monitoreo y control en línea desde el Simulink, el resultado de esta etapa es una interfaz de usuario en la que el sistema es capaz de realizar monitoreo y control desde el Simulink 7.8 incluido en el Matlab 2011b.
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RESULTADOS De la primera etapa el resultado principal es el cuerpo del STB (Figura 1), que está compuesto por dos cilindros de borosilicato y dos tapas en los que se alojan sellos de vitón (o-ring). Este diseño permite variar el volumen de trabajo cambiando la altura de los cilindros.
Figura 1: Cuerpo del STB. En la figura se muestran las medidas del STB para un volumen útil de trabajo de 3 Lts. En la Figura 1, se observa que existe un espacio entre los cilindros de vidrio, su propósito es contener un volumen de fluido en circulación a una temperatura deseada (camisa o chaqueta), para evitar variaciones térmicas (perturbaciones) en el medio de cultivo, de origen externo como internos (debido a reacciones). Los puertos de entrada se encuentran en la tapa inferior con el fin de minimizar el volumen necesario para realizar mediciones. Cuenta con 6 conectores glándula NPT de 3/4" para electrodos tubulares de 5 mm a 12 mm de diámetro,
también se incluyeron 6 conectores de espiga para manguera de 1/4" para realizar mediciones externas, alimentación de sustratos o entrada de gases. La tapa inferior cuenta con un barreno roscado de 3/4" en la parte central para colocar una servoválvula con el fin de poder cambiar los modos de operación del STB, en la Figura 2 se muestran los puertos de entrada.
Figura 2: Puertos de entrada del STB. En la figura se muestra la distribución de los puertos de entrada del STB. En la tapa superior se localiza un conector espiga de 3/4" para la alimentación de sustratos principal y otro de 1/4" para una manguera de escape de gases. La tapa superior cuenta con soportes para ensamblar el sistema impulsor, lo que permite evitar desalineación, vibraciones y el cambio de impelentes. El sistema es sencillo de ensamblar mediante un conector hexagonal de 1/4 DIN 3126. Además, cuenta con un sensor de torque para medir cambios reológicos en el medio
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El cuerpo del STB se ha montado en una base y agregado una cubierta en el sistema motriz como medida de seguridad. En la Figura 3, se presenta la propuesta final del STB en etapa de diseño mecánico.
Figura 3: STB desarrollado. A la izquierda, diseño completo de STB, a la derecha STB monitoreando el cambio reológico en solución de pectina bajo la acción de pectinasa. Para cumplir con la etapa del desarrollo de hardware fue necesario diseñar y construir acondicionadores de señal para la adquisición de datos provenientes de los sensores, drivers para accionamiento de actuadores, interfaces del sistema, fuentes de alimentación así como una tarjeta de control principal. En la Figura 4, se muestra el diseño del PCB donde se encuentra el sistema embebido basado en el µC PIC18F46K22 que ejecuta la etapa de control a nivel hardware. Además, la interfaz de comunicaciones con el Simulink para realizar el monitoreo y control en línea. El sistema se ha concebido de forma modular con el fin de permitir expansiones o que sea posible seleccionarse la configuración del STB de acuerdo a las necesidades de cada aplicación.
Figura 4: Vista de PCB de tarjeta de control principal. En la figura se muestra la distribución de elementos de la tarjeta de control a base del µC PIC18F46K22. En la tercera etapa se desarrolló una interfaz de monitoreo y control en línea desde el Simulink en la que el sistema fuera capaz de realizar seguimiento de trayectorias en tiempo real. Para la comunicación hardware-PC se utilizó el protocolo RS-232c (Serial) ya que el Simulink provee librerías para realizar comunicaciones con dicho protocolo y con el fin de mejorar la compatibilidad del sistema se incorporó un MCP2200 para conectar el sistema mediante el protocolo USB. Dentro del Simulink se programó un algoritmo para el manejo de múltiples canales tanto de entrada (monitoreo) como de salida (control) y se han tomado medidas en caso de fallos como sobretensiones y desconexiones con fines de seguridad. Cabe mencionar que una vez la información es recibida por el Simulink se pueden implementar libremente las librerías incluidas (bloques, funciones embebidas) para procesar los datos.
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En la Figura 5, se muestran los bloques principales de la interfaz. La Figura 6 muestra un ejemplo de monitoreo de torque en el caso de cambio reológico en una solución de pectina bajo la acción de una pectinasa.
CONCLUSIONES Se diseñó, construyó, instrumentó y controló un STB con capacidad de hasta 5 litros, de bajo costo, capaz de cambiar su modo de operación (lote, lote alimentado y continuo). Orientado a las necesidades de investigación y al sector académico cuyo monitoreo y control se realiza desde el Simulink de Matlab. El STB es capaz de monitorear temperatura en medio de cultivo (°C), torque en el sistema motriz (N-m), potencial de hidrógeno (pH), potencial de óxido-reducción (ORP), biomasa (pF), grados brix (°Bx) y es capaz de controlar con seguimiento de trayectorias la velocidad del sistema de agitación (rpm) así como el caudal de alimentación de sustrato (ml/s).
Figura 5: Bloques principales de interfaz de monitoreo y control. A la
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
izquierda el bloque de monitoreo de variables, a la derecha el bloque de salidas de control, entre los bloques es donde se coloca el algoritmo de monitoreo y control deseado.
1. Ibarra-Junquera V.; Escalante-Minakata P.; Mancilla-Margalli Mancilla-Margal li N.A.; Murguía J.S.; García de la Rosa L.A.; Rosu H.C. (2010): Strategies to monitor alcoholic fermentation processes,, Industrial Fermentation: Food processes Processes,, ISBN: 978-1-60876-550-8. Processes 2. Liu Shijie. (2013): Bioprocess Engineering: Engineering: Kinetics, Kinetics, Biosystems, Sustainability, and Reactor Design, Design , Elsevier, 915-932.
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Figura 5: Ejemplo de monitoreo de Cambio reológico en STB. Gráfico de la dinámica del torque en una solución de pectina bajo b ajo la acción de una pectinasa, a temperatura constante.
3. Cabrera Llanos A.I.; Rodríguez Arévalo A.C.; Valencia Flores J.I. (2003): (2003): Diseño y construcción de los instrumentos de un Biorreactor Prototipo, Prototipo, Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica, vol. 24, nº 1, 55-70. 4. Aros N.; Cifuentes M.; Mardones J. (2011): Modelación, Modelación, simulación simulación y control control de procesos procesos de fermentación, fermentación, Ingeniare: revista chilena de ingeniería, vol. 19, nº 2, 210-218.
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