Unidad Iv Biorreactores 4q2s62
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE ACAYUCAN
INGENIERÍA BIOQUÍMICA
701-B
INGENIERÍA DE BIORREACTORES UNIDAD 4 OPERACIONES AUXILIARES
ING. ÉRIKA DEL CARMEN REYES GÓMEZ
PRESENTAN: SANTOS OSORIO OSCAR
LEDESMA MAYORAL UZZIEL
RODRÍGUEZ SANTIAGO JUAN
RODRÍGUEZ REYES VÍCTOR RANGEL
15 DE DICIEMBRE DEL 2012 ACAYUCAN, VERACRUZ
INGENIERIA DE BIORREACTORES
CONTENIDO Objetivos .......................................................................................................................... 4 Introducción.................................................................................................................. 5 4. Operaciones auxiliares ....................................................................................... 7 4.1 Esterilización.................................................................................................... 15 4.1.1 Del medio de cultivo continúo. .................................................................... 16 4.1.2 Esterilización del aire ................................................................................... 19 4.2 Instrumentación y control del biorreactor ...................................................... 21 4.2.1 Sensores físicos y químicos ....................................................................... 22 4.2.1.1 Sensores físicos........................................................................................ 25 4.2.1.2 Sensores quimicos ................................................................................... 27 Conclusión.............................................................................................................. 37 Bibliografía ............................................................................................................. 38
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. ......................................................... 22 Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. ......................................................... 22 Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia. ....................................... 26 Figura 4.3 Tipos de termistores ............................................................................ 27 Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio ................................................... 28 Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto .............................................. 29 Figura 4.6 Rotámetro............................................................................................. 31 Figura 4.7 Tacometro ........................................................................................... 32 Figura 4.8 Medidor de nivel .................................................................................. 33 Figura 4.9 Medidor de presión............................................................................... 35 Figura 4.10 Medidor de gases .............................................................................. 36 Figura 4.11 Espectrómetro de masas................................................................... 36
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OBJETIVOS
Identificara los servicios auxiliares necesarios para la operación de un biorreactor. Describir sus componentes y explicar su funcionamiento. Dar a conocer su aplicación industrial.
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INTRODUCCIÓN 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, termostatización, suministro de oxígeno, entradas para adición de nutrientes, control del pH, etc. Por otra parte, cuando se habla de sistemas de cultivo o, también, métodos 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 Acumulación = Velocidad de Ingreso –Velocidad de Salida + Velocidad de Formación – Velocidad de Consumo
Según sea el modo de operación, es decir, continuo, discontinuo o semi-continuo, se tendrán unos términos de la ecuación u otros, así se plantearán los balances del proceso.
Para poder llevar a cabo una fermentación con éxito es imprescindible y obligatorio tener en todas las etapas cultivos libres de contaminantes, desde el cultivo preliminar hasta el fermentador de producción. Por lo tanto, el fermentador y su equipamiento, así como el medio de cultivo deben estar estériles antes de la inoculación. Además, el aire que se suministra durante la fermentación debe ser estéril y no deben existir roturas mecánicas en el fermentador que podrían permitir la entrada de microorganismos. También se deben esterilizar los aditivos (antiespumantes), sin embargo los ácidos y bases concentrados no es necesario esterilizarlos.
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Un biorreactor puede ser esterilizado, destruyendo los microorganismos, con algún agente letal como calor, radiación o un producto químico o bien separando los organismos viables mediante un procedimiento físico como la filtración.
Durante la fermentación 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 construcción apropiada del biorreactor que facilite la esterilización así como la prevención de la contaminación durante la fermentación.
La importancia de la instrumentación 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 medición de las variables que proveen un ambiente adecuado en un proceso de fermentación. El diseño y construcción de los elementos necesarios para el monitoreo de las variables del biorreactor, requirieron conocimientos de las necesidades del biorreactor y su operación específica, así como de los circuitos electrónicos involucrados en los dispositivos de medición.
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4. OPERACIONES AUXILIARES
Los servicios auxiliares necesarios en la operación de un biorreactor incluyen aire comprimido, diversos gases comprimidos (nitrógeno, oxígeno, etc.), agua de enfriamiento (agua helada y agua de torre), agua para servicios varios, vapor de planta y energía eléctrica.
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 líquidos de un recipiente a otro. 4. Para accionar instrumentación de control de tipo neumático. 5. Como medio de enfriamiento para los recipientes después de la esterilización.
La elección de aire a utilizar del uso que se haga de él. El aire debe ser seco y libre de aceite. Además, cuando se requiera que el proceso o producto no se afecte por la introducción de microorganismos ajenos, contenidos en la corriente de aire, será necesario que este sea estéril.
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Vapor:
El vapor de planta es utilizado como el medio principal de calentamiento en miles de industrias, y para la generación de energía eléctrica como uso secundario. Además el vapor limpio o puro se utiliza en el procesamiento de alimentos y medicinas, en la esterilización de productos y equipos, etc. Su uso generalizado se debe a las siguientes razones:
1. La generación de vapor es una de las formas más económicas de generación de energía. 2. El vapor puede controlarse de manera relativamente sencilla debido a que circula de una zona de alta presión a una de menor presión sin necesidad de otro equipo. 3. El vapor es fácil de producir, ya que se obtiene del agua que además puede ser reutilizable. Un generador de vapor o caldera es aquel que transforma el agua en vapor aprovechando el calor generado por la combustión de un material combustible, teniendo como característica principal que es un recipiente cerrado sujeto a una presión mayor a la atmosférica.
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 (serpentín), mientras que el calor se transfiere de la cámara de combustión hacia el interior de los tubos, así el agua contenida dentro de los tubos comienza a elevar su temperatura hasta evaporarse. Este es el tipo más común.
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2. Generadores de tubo de humo: En forma totalmente opuesta, en este tipo de generadores los gases de combustión circulan por los tubos, mientras que el agua se encuentra almacenada en la cámara 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 estándar internacional llamado Caballo Caldera el cual es equivalente a generar a 15.65 kg/h de vapor con una temperatura de 100°C a presión atmosférica y que es alimentado con agua a 100°C.
Las calderas generalmente vienen como paquetes en tamaños estandarizados que incluyen:
1. El tanque de condensados que se instala generalmente 2 m arriba de la bomba de alimentación de agua al generador. 2. La bomba de agua que envía el agua a presión hacia el serpentín del generador. 3. El generador de vapor de tubos de agua por donde circulan en sentido contrario el agua y los gases de combustión, de tal manera que a medida que el agua avanza en su recorrido encuentra temperaturas más altas, por lo que incrementa su temperatura hasta convertirse en vapor. los componentes básicos del generador son: o Serpentín o Quemador-ventilador o Cámara de combustión
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4. El separador de vapor en donde por medios mecánicos se provoca el desprendimiento de pequeñas partículas de agua (humedad) que arrastra el vapor. 5. La trampa de vapor que desaloja los condensados removidos del vapor y los envía de regreso al tanque de condensados para repetir nuevamente el ciclo. 6. Sistemas de control y de seguridad entre los que destacan: válvulas de alivio y de seguridad, manómetros, control principal de temperatura con termopar, interruptores del termostato, interruptor de presión 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 incrustación, la corrosión 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 catiónica 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 función regenerar la resina a fin de que recupere su capacidad de intercambio iónico.
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. El sistema de distribución de vapor se realiza por medio de tuberías, generalmente de acero al carbón de cédula 40, cuidando que las velocidades y caídas de presión
estén
comprendidas
en
los
intervalos
recomendados
para
el
dimensionamiento de las mismas. El vapor puro requerirá de tuberías de acero inoxidable con acabado sanitario.
En adición al sistema de distribución de vapor deberán preverse los sistemas de manejo de condensados, ya que estos pueden realizarse con un importante ahorro en el acondicionamiento del agua de alimentación a la caldera y en la energía requerida para el calentamiento de la misma hasta el punto de ebullición.
Agua de enfriamiento:
El agua como servicio auxiliar se utiliza como fluido de enfriamiento para el control de la temperatura del caldo de fermentación en los biorreactores. Esta agua, a diferencia del agua de proceso, nunca entra en o con las materias primas o productos de la biorreacción, ni con las superficies en o con estos, sino que circula a través de las chaquetas o serpentines según el diseño 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 área de procesado. Esta agua puede ser potable, debe estar libre de sedimentos, pero no requiere ningún tratamiento adicional.
Energía eléctrica:
La instalación eléctrica tiene como propósito proporcionar la energía para accionar bombas,
comprensores,
motores
eléctricos
y
otros
equipos
mecánicos,
instrumentos, tableros de control y alumbrado. El sistema se debe adecuar para entregar en el punto que se requiera la energía necesaria sin causar sobrecalentamiento o cambios de voltaje innecesarios.
Esto se logra a través de líneas de alambrado que unen el generador con el punto donde se necesita la energía conectada todos los componentes y que se dividen en secciones según el servicio y el área dando lugar a los circuitos. El sistema eléctrico básico esta constituido por la fuente, el equipo de transformación, los dispositivos de protección, las líneas de distribución y los puntos de uso. Voltajes de distribución:
La energía comparada o generada se suministra a voltajes muy altos y para usarse en la planta debe ser reducida
al voltaje de utilización, para esto se
requiere el uso de subestaciones reductoras o transformadores. El voltaje de operación recomendado por los fabricantes de motores y demás equipo eléctrico aparece en la placa o en las instrucciones de operación de dicho equipo.
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La especificación típica para motores eléctricos y demás equipos accionados eléctricamente 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 periódica con pequeñas oscilaciones, desde un valor máximo 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 ó CC) que proporciona un valor constante todo el tiempo, como la producida por dinamos, pilas y acumuladores. Dispositivos de protección:
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 interrupción de desconexión. Equipo eléctrico para áreas peligrosas:
Cuando las materias primas o productos de la biorreacción son potencialmente peligrosos, es decir, que emiten a la atmosfera grandes cantidades de partículas muy pequeñas que pueden penetrar hacia los circuitos eléctricos e iniciar una chispa (por ejemplos; polvos, solventes, etc.), tanto el equipo eléctrico como los transformadores, mecanismos de distribución y motores deben ser especificados a prueba de explosión. ING. ERIKA REYES GOMEZ
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Conductores:
Del punto de suministro al punto de utilización (equipos, comprensores, bombas, etc.), la corriente eléctrica 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 único alambre macizo, generalmente de cobre. o Cordón: Es un conductor constituido por varios hilos unidos eléctricamente enrollados helicoidalmente alrededor de uno o varios hilos centrales. o Cable: Es un conductor formado por uno o varios hilos o cordones aislados eléctricamente entre si. Según el numero hilos o cordones que lleva un cable se denomina unipolar, bipolar, tripolar, etc.
Los cables son canalizados en las instalaciones dentro de tuberías metálicas o canales para protegerlos de agentes externos como la humedad, la corrosión los golpes, etc., que se sujetan al techo o paredes por medio de soportes. En algunos lugares se entierran dichas tuberías bajo el piso, aunque esto lo hace de difícil y mantenimiento.
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4.1 ESTERILIZACIÓN
En todo proceso de fermentación se requiere la esterilización de los equipos a usar para así evitar la contaminación biológica. La contaminación biológica es la invasión de microorganismos extraños, sin interés industrial, del proceso. Con ello se disminuye la productividad porque se da el crecimiento celular de la cepa productora también del contaminante biológico. Además si se opera en continuo el microorganismos extraño puede desplazar al de interés.
A parte de estos problemas, el contaminante biológico puede degradar el producto final o producir la lisis celular. Se deben de usar inóculos puros, esterilizar el medio de cultivo, el reactor, conductos, válvulas, aditivos y corrientes del proceso. Se debe mantener las condiciones de esterilización durante el proceso de operación.
El proceso de esterilización consiste en la eliminación o destrucción de todos los microorganismos presentes capaces de competir con el organismo deseado. Sabiendo las características específicas del cultivo de interés se pueden encontrar las condiciones de operación más extremas que permitan desarrollarse a este cultivo y no a ningún otro microorganismos. Se suele jugar con la temperatura y con el pH. Este procedimiento sería de desinfección más que de esterilización. La esterilización puede hacerse mediante calor húmedo o través de la filtración.
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4.1.1 DEL MEDIO DE CULTIVO CONTINÚO.
El medio nutritivo que se prepara inicialmente contiene una variedad de células 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 inoculación. Existen un conjunto de procedimientos para la esterilización, pero en la práctica, para instalaciones a gran escala,
el
calor
es
el
principal
mecanismo
utilizado.
Un conjunto de factores influyen en el éxito de la esterilización por calor: el número y tipo de microorganismos presentes, la composición del medio de cultivo, el valor del pH y el tamaño de las partículas en suspensión. Las células vegetativas son eliminadas rápidamente a temperaturas relativamente bajas, pero para la destrucción
de
las
esporas
se
necesitan
temperaturas
de
121°C.
La esterilización por filtración se utiliza frecuentemente para todos los componentes de la solución de nutrientes que son sensibles al calor y que serían por tanto desnaturalizados durante el proceso de esterilización por vapor utilizado normalmente en fermentación industrial. Las vitaminas, los antibióticos o los componentes de la sangre son ejemplos de compuestos lábiles al calor que deben ser esterilizados por filtración.
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Esterilización continúa: La esterilización continua se lleva a cabo normalmente en 30-120 segundos a 140° C. El calentamiento del medio de cultivo para la esterilización continua puede ser llevado a cabo mediante inyección de vapor o mediante intercambiadores de calor. La esterilización con inyección de vapor se hace inyectando vapor en la solución de nutrientes. La temperatura se eleva rápidamente a 140° C y se mantiene durante 30-120 segundos.
Debido a la formación de condensados la solución nutritiva se diluye; para corregir esto la solución caliente se bombea a través de una válvula de expansión a un vaporizador y el condensado se retira mediante bombas de vacío de forma que la solución esterilizada de nutrientes tiene la misma concentración después 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
presión.
En el proceso continuo que utiliza intercambiadores de calor, la solución de nutrientes, en el primer intercambiador de calor, se precalienta a 90-120° C durante 20-30 segundos por la solución 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 tubería de mantenimiento antes de que sea colocada en el primer intercambiador mediante enfriamiento preliminar y posteriormente en un tercer cambiador para refrigeración a la temperatura del fermentador. La fase de enfriamiento es sólo de 20-30
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segundos.
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En el proceso que utiliza intercambiadores de calor el 90% del aporte de energía se recupera. La desventaja de este método es que con algunas soluciones de nutrientes se forman sales insolubles (p. ej. fosfato cálcico u oxalato cálcico) y aparecen incrustaciones en el primer intercambiador de calor debido a las diferencias de temperatura entre la solución de nutrientes esterilizada y la solución fría que entra.
Si se produce una precipitación, el coeficiente de transferencia de calor disminuye por lo que el sistema se debe detener y tratar con agentes que limpian (ácido o base) y re-esterilizarlo. Esterilizando separadamente los componentes críticos de la solución de nutrientes se mantiene constante el coeficiente de transferencia de calor por lo que el período útil puede extenderse durante semanas.
Las soluciones que contienen almidón, que se hacen viscosas cuando se calientan, son difíciles de utilizar en procesos de esterilización continua. Antes de la esterilización real debe llevarse a cabo una licuefacción e hidrólisis parcial mediante ácidos o amilasas. Además, si hay partículas en suspensión en la solución de nutrientes, los cortos tiempos de esterilización en el proceso continuo pueden ser insuficientes para que el calor permanezca completamente a través de ellas. El tiempo de calentamiento para partículas de 1 mm es de 1 segundo; para partículas de 1 cm es de 100 segundos. Por consiguiente el tamaño de las partículas debería estar restringido a 1-2 mm en procesos continuos de esterilización.
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4.1.2 ESTERILIZACIÓN DEL AIRE
La mayor parte de las fermentaciones industriales operan en condiciones de agitación vigorosa y el aire que se suministra al fermentador debe ser esterilizado. El número de partículas y microorganismos en el aire varía en gran medida dependiendo de la localización de la planta, el movimiento del aire y el tratamiento previo del aire. Como media, el aire exterior tiene 10 - 100.000 partículas 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 aireación de 0,5 1,0 vvm (volumen de aire/volumen de líquido por minuto). Un fermentador que tenga un volumen de trabajo de 50 m3 con una velocidad de aireación de 1 vvm necesita 3.000 m3 de aire estéril por hora. La importancia crítica de la esterilización del aire en la microbiología industrial puede ser deducida a partir de estos
valores.
Los métodos existentes para la esterilización de los gases incluyen la filtración, inyección de gas (ozono), depuración de gas, radiación (UV) y calor. De todos estos, solamente la filtración y el calor son prácticos a escala industrial. Durante muchos años el aire se esterilizó pasándolo sobre elementos calentados eléctricamente, pero debido al alto coste de la electricidad a partir de la crisis del petróleo de los años 70, este proceso ha sido reemplazado por la filtración.
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Actualmente, en los sistemas industriales el aire se esteriliza por filtración. En los sistemas más antiguos se instalaban filtros en profundidad como los de lana de vidrio en los que las partículas son atrapadas por una combinación de efectos físicos (inercia, bloqueo, difusión, gravedad y atracción electrostática). Los dos últimos mecanismos tienen un efecto mínimo sobre la eliminación de las partículas. Las desventajas de los filtros de lana de vidrio incluyen el arrugamiento y
la
solidificación
durante
la
esterilización
por
vapor.
Actualmente están siendo reemplazados por filtros de cartuchos que utilizan membranas plegadas. Las ventajas de estos filtros es que son sustancialmente más pequeños, debido a la construcción de los cartuchos es fácil reemplazar los elementos filtrantes utilizados, al poseer una estructura membranosa (ésteres 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 todavía, para uso industrial, filtros absolutos para bacteriófagos.
Los bacteriófagos pueden ocasionar el fallo total de un sistema como por ejemplo en la producción de ácido glutámico por Corynebacterium glutamicum o al trabajar con Escherichia coli. El aire que sale del fermentador también debe ser esterilizado, sobre todo si se trabaja con organismos recombinantes. No sólo como medida de seguridad, sino también para prevenir que las cepas industriales se liberen al medio ambiente y por lo tanto estén disponibles de una forma gratuita para los competidores. De nuevo, se utiliza la filtración.
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4.2 INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DEL BIORREACTOR
La instrumentación 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 óptimo de operación. Idealmente, los sensores deben de estar en línea, para medir las propiedades físicas del cultivo, estos sensores deben ser esterilizables para asegurar la asepsia del proceso.
Sin embargo, no todas las mediciones pueden ser hechas en línea, algunas medidas fuera de línea, 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 medición en un biorreactor.
Los sensores de propiedades físicas pueden ser monitoreados continuamente, y son la temperatura, presión, poder de agitación, velocidad de agitación, viscosidad del medio, flujo y concentración de gases y fluidos, espuma, volumen y masa.
Para la medición de las propiedades químicas se utilizan electrodos esterilizables al vapor, de pH, redox, oxígeno disuelto y CO2. El más utilizado es el de pH, aunque no tiene utilidad para todas las fermentaciones, sólo en las de tipo continuo donde se necesita mantener un valor estable de acidez o basicidad. Para ello, contamos con sensores de pH y oxígeno disuelto.
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Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. Ilustración 1Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. Ilustración 2 Figura 1. Instrumentación de un biorreactor.
4.2.1 SENSORES FÍSICOS Y QUÍMICOS Para llevar a cabo durante la fermentación medidas para el análisis de datos y el control del proceso se han desarrollado sensores especiales para biorreactores que difieren en cierto modo de los de las industrias químicas:
1) Todos los sensores localizados en el área estéril deben ser esterilizables. 2) Algunos sensores deben estar específicamente adaptados a las necesidades bioquímicas.
Los parámetros físicos y químicos que se indican en la Tabla 2 pueden ser medidos directamente en muchas plantas piloto o fermentadores de producción o pueden ser medidos in situ en el laboratorio.
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Tabla 2. Parámetros que pueden ser medidos en un proceso de fermentación. Parámetros
Parámetros
Parámetros
físicos
Químicos
biológicos
Temperatura
pH
Productos biológicamente activos
Presión
Consumo de potencia
Oxígeno disuelto
O2 y CO2 en los
Actividad enzimática
Contenido en DNA y RNA
gases de salida Viscosidad
Potencial redox
Velocidad de flujo (aire Concentración de y líquido)
sustrato
Turbidez
Concentración de
Contenido en NADH2 y ATP Contenido en proteína
producto Peso del fermentador
Fuerza iónica
Los parámetros biológicos que se indican deben ser medidos fuera del fermentador, con la excepción de la medida del NADH2 que puede ser medido in situ por métodos fluorescentes. Existen interesantes novedades en el campo de los electrodos enzimáticos, 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 O 2 y el CO2 por separado mediante las propiedades paramagnéticas del O 2 y el espectro de absorción en infrarrojos del CO 2. Los sensores para medir estos gases están bien desarrollados y funcionan con pocas interrupciones.
Es fácil 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 esterilización y las tensiones mecánicas o debidas a la presión. 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 análisis de un conjunto de funciones en los procesos de fermentación:
Optimización mediante ordenador. Los ordenadores se utilizan en el salto de escala y evalúan los parámetros de la fermentación y miden los efectos de parámetros individuales sobre el comportamiento metabólico de los cultivos.
Control mediante ordenador. Los ordenadores pueden controlar los procesos de fermentación. El control in situ de la fermentación se utiliza ampliamente por muchas compañías a escala de producción.
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La aplicación de ordenadores en biotecnología se utilizan primariamente para la adquisición de:
a) Adquisición de datos b) Análisis de datos c) Desarrollos de modelos de fermentación
4.2.1.1 SENSORES FÍSICOS
Temperatura
Es un parámetro de regulación importante para el proceso ya que muchos microorganismos tienen un determinado intervalo de temperatura y la energía calorífica es rápidamente absorbida por la célula. Los termómetros de resistencia y los termistores son los que se encuentran en la mayoría de las instalaciones.
Termómetros 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 través del rollo, un cambio de voltaje se produce y éste a su vez, se relaciona con la temperatura. Los termómetros de resistencia industriales se construyen siempre de platino, cobre o níquel.
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Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia. Ilustración 3Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia.
Termistores Son resistores variables con la temperatura, pero no están 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 termómetros de resistencia, los termistores no guardan una relación lineal entre la resistencia y la temperatura, pero si se adecuan a los pequeños cambios de temperatura que exhiben las fermentaciones, ésta relación puede considerarse lineal. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio y titanio.
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Figura 4.3 Tipos de termistores Ilustración 4 Figura 4.3 Tipos de termistores
4.2.1.2 SENSORES QUIMICOS pH
El electrodo de vidrio es el elemento detector primario de las mediciones de pH. El principio de medición 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 hidrógeno en la muestra y una solución estándar de referencia (solución de cloruro de potasio) contenida dentro del electrodo. El potencial del electrodo proporciona un voltaje que se expresa como pH.
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Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio Ilustración 5Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio
Medición de oxígeno disuelto
Los sensores de medición de oxígeno disuelto (OD) consisten básicamente 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 fermentación, el sensor está cubierto por una membrana.
El oxígeno difunde a través de la membrana y se reduce en el cátodo, que está polarizado negativamente con respecto al ánodo. Esto produce una corriente que puede ser traducida como concentración de oxígeno. Habitualmente se recurre al uso de sondas de tipo polarigráfica y galvánica. La diferencia entre ellas es que éstas últimas son más baratas. Las sondas polarigráficas pueden ser fraccionablemente más rápidas y tener una vida útil más larga. Realmente las sondas OD no miden la concentración de oxígeno disuelto, sino la actividad o la presión parcial del oxígeno.
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Por esta razón las sondas OD son frecuentemente calibradas para leer el porcentaje de saturación utilizando aire y nitrógeno libre de oxígeno como los puntos de 0-100% de calibración. Es posible sin embargo relacionar la presión parcial del oxígeno con la concentración de oxígeno disuelto utilizando la Ley de Henry, ya que la solubilidad del oxígeno en los caldos de fermentación es muy baja.
Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto Ilustración 6Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto
Nivel de espuma
La formación de espuma representa un problema serio en las fermentaciones ya que se fomenta la contaminación mermando el rendimiento u obstaculizando filtros. Comúnmente muchos medios de cultivo fomentan la formación de espuma, principalmente en los cultivos aerobios por la producción de agentes espumantes como proteínas, polisacáridos y ácidos grasos. El control puede realizarse por métodos mecánicos, químicos o una combinación de los dos.
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Métodos mecánicos
Consisten de adaptaciones de disco rotatorios montados sobre el eje principal de agitación. Estos dispositivos aseguran una buena eliminación de espuma, con la desventaja de que consumen elevadas cantidades de energía, lo cual se refleja en un incremento en los costos de producción. Métodos químicos
Se realizan con la ayuda de agente antiespumantes los cuales pueden ser suministrados de forma automática. Algunos antiespumantes son metabolizados por los microorganismos, por lo cual pueden ser considerados como una fuente de carbono adicional.
Nivel de agitación
Son comunes los rotámetros los cuales determinan las revoluciones por minuto mediante mecanismos de inducción, generación de voltaje, sensores de luz o fuerzas magnéticas (tacómetros eléctricos). Éstos permiten una medición directa de las señales para alimentar los instrumentos registradores o controladores de . El tacómetro eléctrico se emplea un transductor que produce una señal analógica o digital como conversión de la velocidad de giro de la máquina.
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Figura 4.6Tacómetro Ilustración 7Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto
Flujo de aire
En fermentaciones aerobias el aire es transportado a través del fermentador para suministrar oxígeno y también para remover CO2, lo cual de otro modo podría afectar la actividad enzimática. 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 (volúmenes de air por volumen de reactor por minuto.
La medición de flujo de gas, incluye el suministro de aire al fermentador, para la toma de muestras de gas para el análisis y para el suministro de gas de amoniaco en el control de pH. Los instrumentos más usados para la medición de flujo son los rotámetros u los medidores térmicos de flujo de masa. En los rotámetros 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 másico determinan el flujo de gas detectando las diferencias de temperatura a lo largo de un dispositivo calefactor colocado en el paso del gas. ING. ERIKA REYES GOMEZ
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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 másico.
Figura 4.7 Rotámetro Ilustración 8Figura 4.6 Rotámetro
Medidor de nivel
Los indicadores de nivel pueden ser de nivel de vidrio y medidores de presión diferencial. En los indicadores de nivel de vidrio se instala en forma de que el líquido se comunique con el indicador de vidrio paralelo al reactor. En los medidores de presión diferencial, una celda de presión diferencial se puede usar como transmisor de nivel, ya que el nivel del líquido se refleja como una presión equivalente a la altura del líquido asociado con la densidad de este.
Otra forma de conocer el nivel del líquido, es por medio de un sensor del nivel del líquido, que mide la capacidad del condensador formado por un electrodo sumergido en el líquido y en las paredes del tanque. La capacitancia registrada depende linealmente del nivel del líquido.
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Figura 4.8 Medidor de Nivel Ilustración 9Figura 4.6 Rotámetro
Presión
Las variaciones excesivas de presión no solo pueden provocar pérdidas de producto sino que también daño a l equipo y al personal de operación. El biorreactor suele someterse a presiones de esterilización con el fin de prevenir posibles riesgos de contaminación 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 presión, con el fin de evitar el deterioro de los componentes del medio de cultivo. Para el control de la presión suelen usarse manómetros de presión o de Bourdon.
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Figura 4.9 Medidor de Presión
Análisis del gas de salida
El gas que abandona el reactor contiene diversos tipos de gases, dependiendo del tipo de reacción. En reacciones biológicas, los principales gases presentes en el gas de salida con CO2 y O2. La determinación de las concentraciones de estos gases es un indicativo de la actividad metabólica presente en el interior del reactor durante la reacción. La diferencia del contenido de oxígeno a la entrada en la corriente de salida es igual a la cantidad de oxígeno transferido al sistema.
El contenido de oxígeno se puede determinar por medio de analizadores de gas de tipo paramagnéticos. Los analizadores más populares son los de viento magnético (termomagnético) y el de deflexión (magnetodinámico). Las moléculas paramagnéticas tales como el oxígeno presentan electrones no apareados los cuales giran alrededor del núcleo. Cuando un flujo magnético es aplicado, los átomos tienen a orientarse en la dirección del campo.
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La medición de CO2 se puede realizar con analizadores de infrarrojos, los cuales consisten en una fuente de luz, una sección óptica y el sensor principal.
Figura 4.10 Analizador de Gases Ilustración 10Figura 4.9 Analizador de Gases
Espectrómetros de masa
Se basan en la separación de las moléculas ionizadas en el vacío. La separación basada en la relación de masa a carga se consigue en instrumentos magnéticos o de cuadrapolo. Potencialmente los espectrómetros de masas pueden ser utilizados tanto para el análisis continuo de gases en línea como de líquidos. Para el análisis de líquidos, una sonda que soporte una fuerte membrana permeable, se inserta en el caldo de fermentación y las sustancias disueltas como el O2 y el CO2 y cualquier líquido de suficiente volatilidad son arrastradas fuera de la solución aplicando vació. Los
espectrómetros
de
masas
pueden
ser
utilizados
para
el
análisis
simultáneamente de cualquier componente de la fase gaseosa; sin embargo en las fermentaciones está restringido tradicionalmente a oxígeno y bióxido de carbono como un sofisticado analizador de gases.
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La principal desventaja del espectrómetro de masas es su elevado consto, alrededor de diez veces más que la de cualquier analizador de gas. Pero el espectrómetro de masas es más versátil, ya que puede medir también N2, NH3, metanol y etanol simultáneamente, así como dar información cuantitativa y cualitativa sobre el intercambio de O 2 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 simultáneamente en la fermentación.
Figura 4.11 Espectrómetro de masas Ilustración 11Figura 4.10 Espectrómetro de masas
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CONCLUSIÓN
En un biorreactor es donde se realiza el proceso en donde provee los servicios necesarios para los cultivos y hace referencia su modo de operación ya se de forma continua o discontinua. En todo proceso se requiere la esterilización de los equipos a utilizar, para así evitar que haya contaminación hacia mis medios. En donde la esterilización consiste en la eliminación o destrucción de todos los microorganismos presentes en el medio. La esterilización puede hacerse mediante calor húmedo o a través de una filtración.
Un buen manejo de los biorreactores depende de gran parte de su instrumentación 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 físicos podemos encontrar lo que son la temperatura, presión, viscosidad, etc. Dentro de los sensores químicos son el pH, la fuerza iónica
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BIBLIOGRAFÍA
G:\Instrumentación y control del proceso for Bases de Microbiología Industrial.mht. G:\Esterilización.mht. G:\Pagina nueva 5.htm
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INGENIERÍA BIOQUÍMICA
701-B
INGENIERÍA DE BIORREACTORES UNIDAD 4 OPERACIONES AUXILIARES
ING. ÉRIKA DEL CARMEN REYES GÓMEZ
PRESENTAN: SANTOS OSORIO OSCAR
LEDESMA MAYORAL UZZIEL
RODRÍGUEZ SANTIAGO JUAN
RODRÍGUEZ REYES VÍCTOR RANGEL
15 DE DICIEMBRE DEL 2012 ACAYUCAN, VERACRUZ
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CONTENIDO Objetivos .......................................................................................................................... 4 Introducción.................................................................................................................. 5 4. Operaciones auxiliares ....................................................................................... 7 4.1 Esterilización.................................................................................................... 15 4.1.1 Del medio de cultivo continúo. .................................................................... 16 4.1.2 Esterilización del aire ................................................................................... 19 4.2 Instrumentación y control del biorreactor ...................................................... 21 4.2.1 Sensores físicos y químicos ....................................................................... 22 4.2.1.1 Sensores físicos........................................................................................ 25 4.2.1.2 Sensores quimicos ................................................................................... 27 Conclusión.............................................................................................................. 37 Bibliografía ............................................................................................................. 38
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. ......................................................... 22 Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. ......................................................... 22 Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia. ....................................... 26 Figura 4.3 Tipos de termistores ............................................................................ 27 Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio ................................................... 28 Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto .............................................. 29 Figura 4.6 Rotámetro............................................................................................. 31 Figura 4.7 Tacometro ........................................................................................... 32 Figura 4.8 Medidor de nivel .................................................................................. 33 Figura 4.9 Medidor de presión............................................................................... 35 Figura 4.10 Medidor de gases .............................................................................. 36 Figura 4.11 Espectrómetro de masas................................................................... 36
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OBJETIVOS
Identificara los servicios auxiliares necesarios para la operación de un biorreactor. Describir sus componentes y explicar su funcionamiento. Dar a conocer su aplicación industrial.
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INTRODUCCIÓN 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, termostatización, suministro de oxígeno, entradas para adición de nutrientes, control del pH, etc. Por otra parte, cuando se habla de sistemas de cultivo o, también, métodos 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 Acumulación = Velocidad de Ingreso –Velocidad de Salida + Velocidad de Formación – Velocidad de Consumo
Según sea el modo de operación, es decir, continuo, discontinuo o semi-continuo, se tendrán unos términos de la ecuación u otros, así se plantearán los balances del proceso.
Para poder llevar a cabo una fermentación con éxito es imprescindible y obligatorio tener en todas las etapas cultivos libres de contaminantes, desde el cultivo preliminar hasta el fermentador de producción. Por lo tanto, el fermentador y su equipamiento, así como el medio de cultivo deben estar estériles antes de la inoculación. Además, el aire que se suministra durante la fermentación debe ser estéril y no deben existir roturas mecánicas en el fermentador que podrían permitir la entrada de microorganismos. También se deben esterilizar los aditivos (antiespumantes), sin embargo los ácidos y bases concentrados no es necesario esterilizarlos.
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Un biorreactor puede ser esterilizado, destruyendo los microorganismos, con algún agente letal como calor, radiación o un producto químico o bien separando los organismos viables mediante un procedimiento físico como la filtración.
Durante la fermentación 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 construcción apropiada del biorreactor que facilite la esterilización así como la prevención de la contaminación durante la fermentación.
La importancia de la instrumentación 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 medición de las variables que proveen un ambiente adecuado en un proceso de fermentación. El diseño y construcción de los elementos necesarios para el monitoreo de las variables del biorreactor, requirieron conocimientos de las necesidades del biorreactor y su operación específica, así como de los circuitos electrónicos involucrados en los dispositivos de medición.
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4. OPERACIONES AUXILIARES
Los servicios auxiliares necesarios en la operación de un biorreactor incluyen aire comprimido, diversos gases comprimidos (nitrógeno, oxígeno, etc.), agua de enfriamiento (agua helada y agua de torre), agua para servicios varios, vapor de planta y energía eléctrica.
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 líquidos de un recipiente a otro. 4. Para accionar instrumentación de control de tipo neumático. 5. Como medio de enfriamiento para los recipientes después de la esterilización.
La elección de aire a utilizar del uso que se haga de él. El aire debe ser seco y libre de aceite. Además, cuando se requiera que el proceso o producto no se afecte por la introducción de microorganismos ajenos, contenidos en la corriente de aire, será necesario que este sea estéril.
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Vapor:
El vapor de planta es utilizado como el medio principal de calentamiento en miles de industrias, y para la generación de energía eléctrica como uso secundario. Además el vapor limpio o puro se utiliza en el procesamiento de alimentos y medicinas, en la esterilización de productos y equipos, etc. Su uso generalizado se debe a las siguientes razones:
1. La generación de vapor es una de las formas más económicas de generación de energía. 2. El vapor puede controlarse de manera relativamente sencilla debido a que circula de una zona de alta presión a una de menor presión sin necesidad de otro equipo. 3. El vapor es fácil de producir, ya que se obtiene del agua que además puede ser reutilizable. Un generador de vapor o caldera es aquel que transforma el agua en vapor aprovechando el calor generado por la combustión de un material combustible, teniendo como característica principal que es un recipiente cerrado sujeto a una presión mayor a la atmosférica.
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 (serpentín), mientras que el calor se transfiere de la cámara de combustión hacia el interior de los tubos, así el agua contenida dentro de los tubos comienza a elevar su temperatura hasta evaporarse. Este es el tipo más común.
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2. Generadores de tubo de humo: En forma totalmente opuesta, en este tipo de generadores los gases de combustión circulan por los tubos, mientras que el agua se encuentra almacenada en la cámara 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 estándar internacional llamado Caballo Caldera el cual es equivalente a generar a 15.65 kg/h de vapor con una temperatura de 100°C a presión atmosférica y que es alimentado con agua a 100°C.
Las calderas generalmente vienen como paquetes en tamaños estandarizados que incluyen:
1. El tanque de condensados que se instala generalmente 2 m arriba de la bomba de alimentación de agua al generador. 2. La bomba de agua que envía el agua a presión hacia el serpentín del generador. 3. El generador de vapor de tubos de agua por donde circulan en sentido contrario el agua y los gases de combustión, de tal manera que a medida que el agua avanza en su recorrido encuentra temperaturas más altas, por lo que incrementa su temperatura hasta convertirse en vapor. los componentes básicos del generador son: o Serpentín o Quemador-ventilador o Cámara de combustión
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4. El separador de vapor en donde por medios mecánicos se provoca el desprendimiento de pequeñas partículas de agua (humedad) que arrastra el vapor. 5. La trampa de vapor que desaloja los condensados removidos del vapor y los envía de regreso al tanque de condensados para repetir nuevamente el ciclo. 6. Sistemas de control y de seguridad entre los que destacan: válvulas de alivio y de seguridad, manómetros, control principal de temperatura con termopar, interruptores del termostato, interruptor de presión 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 incrustación, la corrosión 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 catiónica 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 función regenerar la resina a fin de que recupere su capacidad de intercambio iónico.
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. El sistema de distribución de vapor se realiza por medio de tuberías, generalmente de acero al carbón de cédula 40, cuidando que las velocidades y caídas de presión
estén
comprendidas
en
los
intervalos
recomendados
para
el
dimensionamiento de las mismas. El vapor puro requerirá de tuberías de acero inoxidable con acabado sanitario.
En adición al sistema de distribución de vapor deberán preverse los sistemas de manejo de condensados, ya que estos pueden realizarse con un importante ahorro en el acondicionamiento del agua de alimentación a la caldera y en la energía requerida para el calentamiento de la misma hasta el punto de ebullición.
Agua de enfriamiento:
El agua como servicio auxiliar se utiliza como fluido de enfriamiento para el control de la temperatura del caldo de fermentación en los biorreactores. Esta agua, a diferencia del agua de proceso, nunca entra en o con las materias primas o productos de la biorreacción, ni con las superficies en o con estos, sino que circula a través de las chaquetas o serpentines según el diseño 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 área de procesado. Esta agua puede ser potable, debe estar libre de sedimentos, pero no requiere ningún tratamiento adicional.
Energía eléctrica:
La instalación eléctrica tiene como propósito proporcionar la energía para accionar bombas,
comprensores,
motores
eléctricos
y
otros
equipos
mecánicos,
instrumentos, tableros de control y alumbrado. El sistema se debe adecuar para entregar en el punto que se requiera la energía necesaria sin causar sobrecalentamiento o cambios de voltaje innecesarios.
Esto se logra a través de líneas de alambrado que unen el generador con el punto donde se necesita la energía conectada todos los componentes y que se dividen en secciones según el servicio y el área dando lugar a los circuitos. El sistema eléctrico básico esta constituido por la fuente, el equipo de transformación, los dispositivos de protección, las líneas de distribución y los puntos de uso. Voltajes de distribución:
La energía comparada o generada se suministra a voltajes muy altos y para usarse en la planta debe ser reducida
al voltaje de utilización, para esto se
requiere el uso de subestaciones reductoras o transformadores. El voltaje de operación recomendado por los fabricantes de motores y demás equipo eléctrico aparece en la placa o en las instrucciones de operación de dicho equipo.
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La especificación típica para motores eléctricos y demás equipos accionados eléctricamente 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 periódica con pequeñas oscilaciones, desde un valor máximo 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 ó CC) que proporciona un valor constante todo el tiempo, como la producida por dinamos, pilas y acumuladores. Dispositivos de protección:
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 interrupción de desconexión. Equipo eléctrico para áreas peligrosas:
Cuando las materias primas o productos de la biorreacción son potencialmente peligrosos, es decir, que emiten a la atmosfera grandes cantidades de partículas muy pequeñas que pueden penetrar hacia los circuitos eléctricos e iniciar una chispa (por ejemplos; polvos, solventes, etc.), tanto el equipo eléctrico como los transformadores, mecanismos de distribución y motores deben ser especificados a prueba de explosión. ING. ERIKA REYES GOMEZ
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Conductores:
Del punto de suministro al punto de utilización (equipos, comprensores, bombas, etc.), la corriente eléctrica 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 único alambre macizo, generalmente de cobre. o Cordón: Es un conductor constituido por varios hilos unidos eléctricamente enrollados helicoidalmente alrededor de uno o varios hilos centrales. o Cable: Es un conductor formado por uno o varios hilos o cordones aislados eléctricamente entre si. Según el numero hilos o cordones que lleva un cable se denomina unipolar, bipolar, tripolar, etc.
Los cables son canalizados en las instalaciones dentro de tuberías metálicas o canales para protegerlos de agentes externos como la humedad, la corrosión los golpes, etc., que se sujetan al techo o paredes por medio de soportes. En algunos lugares se entierran dichas tuberías bajo el piso, aunque esto lo hace de difícil y mantenimiento.
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4.1 ESTERILIZACIÓN
En todo proceso de fermentación se requiere la esterilización de los equipos a usar para así evitar la contaminación biológica. La contaminación biológica es la invasión de microorganismos extraños, sin interés industrial, del proceso. Con ello se disminuye la productividad porque se da el crecimiento celular de la cepa productora también del contaminante biológico. Además si se opera en continuo el microorganismos extraño puede desplazar al de interés.
A parte de estos problemas, el contaminante biológico puede degradar el producto final o producir la lisis celular. Se deben de usar inóculos puros, esterilizar el medio de cultivo, el reactor, conductos, válvulas, aditivos y corrientes del proceso. Se debe mantener las condiciones de esterilización durante el proceso de operación.
El proceso de esterilización consiste en la eliminación o destrucción de todos los microorganismos presentes capaces de competir con el organismo deseado. Sabiendo las características específicas del cultivo de interés se pueden encontrar las condiciones de operación más extremas que permitan desarrollarse a este cultivo y no a ningún otro microorganismos. Se suele jugar con la temperatura y con el pH. Este procedimiento sería de desinfección más que de esterilización. La esterilización puede hacerse mediante calor húmedo o través de la filtración.
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4.1.1 DEL MEDIO DE CULTIVO CONTINÚO.
El medio nutritivo que se prepara inicialmente contiene una variedad de células 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 inoculación. Existen un conjunto de procedimientos para la esterilización, pero en la práctica, para instalaciones a gran escala,
el
calor
es
el
principal
mecanismo
utilizado.
Un conjunto de factores influyen en el éxito de la esterilización por calor: el número y tipo de microorganismos presentes, la composición del medio de cultivo, el valor del pH y el tamaño de las partículas en suspensión. Las células vegetativas son eliminadas rápidamente a temperaturas relativamente bajas, pero para la destrucción
de
las
esporas
se
necesitan
temperaturas
de
121°C.
La esterilización por filtración se utiliza frecuentemente para todos los componentes de la solución de nutrientes que son sensibles al calor y que serían por tanto desnaturalizados durante el proceso de esterilización por vapor utilizado normalmente en fermentación industrial. Las vitaminas, los antibióticos o los componentes de la sangre son ejemplos de compuestos lábiles al calor que deben ser esterilizados por filtración.
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Esterilización continúa: La esterilización continua se lleva a cabo normalmente en 30-120 segundos a 140° C. El calentamiento del medio de cultivo para la esterilización continua puede ser llevado a cabo mediante inyección de vapor o mediante intercambiadores de calor. La esterilización con inyección de vapor se hace inyectando vapor en la solución de nutrientes. La temperatura se eleva rápidamente a 140° C y se mantiene durante 30-120 segundos.
Debido a la formación de condensados la solución nutritiva se diluye; para corregir esto la solución caliente se bombea a través de una válvula de expansión a un vaporizador y el condensado se retira mediante bombas de vacío de forma que la solución esterilizada de nutrientes tiene la misma concentración después 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
presión.
En el proceso continuo que utiliza intercambiadores de calor, la solución de nutrientes, en el primer intercambiador de calor, se precalienta a 90-120° C durante 20-30 segundos por la solución 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 tubería de mantenimiento antes de que sea colocada en el primer intercambiador mediante enfriamiento preliminar y posteriormente en un tercer cambiador para refrigeración a la temperatura del fermentador. La fase de enfriamiento es sólo de 20-30
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segundos.
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En el proceso que utiliza intercambiadores de calor el 90% del aporte de energía se recupera. La desventaja de este método es que con algunas soluciones de nutrientes se forman sales insolubles (p. ej. fosfato cálcico u oxalato cálcico) y aparecen incrustaciones en el primer intercambiador de calor debido a las diferencias de temperatura entre la solución de nutrientes esterilizada y la solución fría que entra.
Si se produce una precipitación, el coeficiente de transferencia de calor disminuye por lo que el sistema se debe detener y tratar con agentes que limpian (ácido o base) y re-esterilizarlo. Esterilizando separadamente los componentes críticos de la solución de nutrientes se mantiene constante el coeficiente de transferencia de calor por lo que el período útil puede extenderse durante semanas.
Las soluciones que contienen almidón, que se hacen viscosas cuando se calientan, son difíciles de utilizar en procesos de esterilización continua. Antes de la esterilización real debe llevarse a cabo una licuefacción e hidrólisis parcial mediante ácidos o amilasas. Además, si hay partículas en suspensión en la solución de nutrientes, los cortos tiempos de esterilización en el proceso continuo pueden ser insuficientes para que el calor permanezca completamente a través de ellas. El tiempo de calentamiento para partículas de 1 mm es de 1 segundo; para partículas de 1 cm es de 100 segundos. Por consiguiente el tamaño de las partículas debería estar restringido a 1-2 mm en procesos continuos de esterilización.
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4.1.2 ESTERILIZACIÓN DEL AIRE
La mayor parte de las fermentaciones industriales operan en condiciones de agitación vigorosa y el aire que se suministra al fermentador debe ser esterilizado. El número de partículas y microorganismos en el aire varía en gran medida dependiendo de la localización de la planta, el movimiento del aire y el tratamiento previo del aire. Como media, el aire exterior tiene 10 - 100.000 partículas 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 aireación de 0,5 1,0 vvm (volumen de aire/volumen de líquido por minuto). Un fermentador que tenga un volumen de trabajo de 50 m3 con una velocidad de aireación de 1 vvm necesita 3.000 m3 de aire estéril por hora. La importancia crítica de la esterilización del aire en la microbiología industrial puede ser deducida a partir de estos
valores.
Los métodos existentes para la esterilización de los gases incluyen la filtración, inyección de gas (ozono), depuración de gas, radiación (UV) y calor. De todos estos, solamente la filtración y el calor son prácticos a escala industrial. Durante muchos años el aire se esterilizó pasándolo sobre elementos calentados eléctricamente, pero debido al alto coste de la electricidad a partir de la crisis del petróleo de los años 70, este proceso ha sido reemplazado por la filtración.
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Actualmente, en los sistemas industriales el aire se esteriliza por filtración. En los sistemas más antiguos se instalaban filtros en profundidad como los de lana de vidrio en los que las partículas son atrapadas por una combinación de efectos físicos (inercia, bloqueo, difusión, gravedad y atracción electrostática). Los dos últimos mecanismos tienen un efecto mínimo sobre la eliminación de las partículas. Las desventajas de los filtros de lana de vidrio incluyen el arrugamiento y
la
solidificación
durante
la
esterilización
por
vapor.
Actualmente están siendo reemplazados por filtros de cartuchos que utilizan membranas plegadas. Las ventajas de estos filtros es que son sustancialmente más pequeños, debido a la construcción de los cartuchos es fácil reemplazar los elementos filtrantes utilizados, al poseer una estructura membranosa (ésteres 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 todavía, para uso industrial, filtros absolutos para bacteriófagos.
Los bacteriófagos pueden ocasionar el fallo total de un sistema como por ejemplo en la producción de ácido glutámico por Corynebacterium glutamicum o al trabajar con Escherichia coli. El aire que sale del fermentador también debe ser esterilizado, sobre todo si se trabaja con organismos recombinantes. No sólo como medida de seguridad, sino también para prevenir que las cepas industriales se liberen al medio ambiente y por lo tanto estén disponibles de una forma gratuita para los competidores. De nuevo, se utiliza la filtración.
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4.2 INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DEL BIORREACTOR
La instrumentación 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 óptimo de operación. Idealmente, los sensores deben de estar en línea, para medir las propiedades físicas del cultivo, estos sensores deben ser esterilizables para asegurar la asepsia del proceso.
Sin embargo, no todas las mediciones pueden ser hechas en línea, algunas medidas fuera de línea, 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 medición en un biorreactor.
Los sensores de propiedades físicas pueden ser monitoreados continuamente, y son la temperatura, presión, poder de agitación, velocidad de agitación, viscosidad del medio, flujo y concentración de gases y fluidos, espuma, volumen y masa.
Para la medición de las propiedades químicas se utilizan electrodos esterilizables al vapor, de pH, redox, oxígeno disuelto y CO2. El más utilizado es el de pH, aunque no tiene utilidad para todas las fermentaciones, sólo en las de tipo continuo donde se necesita mantener un valor estable de acidez o basicidad. Para ello, contamos con sensores de pH y oxígeno disuelto.
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Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. Ilustración 1Figura 1. Instrumentación de un biorreactor. Ilustración 2 Figura 1. Instrumentación de un biorreactor.
4.2.1 SENSORES FÍSICOS Y QUÍMICOS Para llevar a cabo durante la fermentación medidas para el análisis de datos y el control del proceso se han desarrollado sensores especiales para biorreactores que difieren en cierto modo de los de las industrias químicas:
1) Todos los sensores localizados en el área estéril deben ser esterilizables. 2) Algunos sensores deben estar específicamente adaptados a las necesidades bioquímicas.
Los parámetros físicos y químicos que se indican en la Tabla 2 pueden ser medidos directamente en muchas plantas piloto o fermentadores de producción o pueden ser medidos in situ en el laboratorio.
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Tabla 2. Parámetros que pueden ser medidos en un proceso de fermentación. Parámetros
Parámetros
Parámetros
físicos
Químicos
biológicos
Temperatura
pH
Productos biológicamente activos
Presión
Consumo de potencia
Oxígeno disuelto
O2 y CO2 en los
Actividad enzimática
Contenido en DNA y RNA
gases de salida Viscosidad
Potencial redox
Velocidad de flujo (aire Concentración de y líquido)
sustrato
Turbidez
Concentración de
Contenido en NADH2 y ATP Contenido en proteína
producto Peso del fermentador
Fuerza iónica
Los parámetros biológicos que se indican deben ser medidos fuera del fermentador, con la excepción de la medida del NADH2 que puede ser medido in situ por métodos fluorescentes. Existen interesantes novedades en el campo de los electrodos enzimáticos, 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 O 2 y el CO2 por separado mediante las propiedades paramagnéticas del O 2 y el espectro de absorción en infrarrojos del CO 2. Los sensores para medir estos gases están bien desarrollados y funcionan con pocas interrupciones.
Es fácil 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 esterilización y las tensiones mecánicas o debidas a la presión. 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 análisis de un conjunto de funciones en los procesos de fermentación:
Optimización mediante ordenador. Los ordenadores se utilizan en el salto de escala y evalúan los parámetros de la fermentación y miden los efectos de parámetros individuales sobre el comportamiento metabólico de los cultivos.
Control mediante ordenador. Los ordenadores pueden controlar los procesos de fermentación. El control in situ de la fermentación se utiliza ampliamente por muchas compañías a escala de producción.
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La aplicación de ordenadores en biotecnología se utilizan primariamente para la adquisición de:
a) Adquisición de datos b) Análisis de datos c) Desarrollos de modelos de fermentación
4.2.1.1 SENSORES FÍSICOS
Temperatura
Es un parámetro de regulación importante para el proceso ya que muchos microorganismos tienen un determinado intervalo de temperatura y la energía calorífica es rápidamente absorbida por la célula. Los termómetros de resistencia y los termistores son los que se encuentran en la mayoría de las instalaciones.
Termómetros 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 través del rollo, un cambio de voltaje se produce y éste a su vez, se relaciona con la temperatura. Los termómetros de resistencia industriales se construyen siempre de platino, cobre o níquel.
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Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia. Ilustración 3Figura 4.2 Componentes de termómetro de resistencia.
Termistores Son resistores variables con la temperatura, pero no están 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 termómetros de resistencia, los termistores no guardan una relación lineal entre la resistencia y la temperatura, pero si se adecuan a los pequeños cambios de temperatura que exhiben las fermentaciones, ésta relación puede considerarse lineal. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio y titanio.
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Figura 4.3 Tipos de termistores Ilustración 4 Figura 4.3 Tipos de termistores
4.2.1.2 SENSORES QUIMICOS pH
El electrodo de vidrio es el elemento detector primario de las mediciones de pH. El principio de medición 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 hidrógeno en la muestra y una solución estándar de referencia (solución de cloruro de potasio) contenida dentro del electrodo. El potencial del electrodo proporciona un voltaje que se expresa como pH.
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Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio Ilustración 5Figura 4.4 Componentes de electrodo de vidrio
Medición de oxígeno disuelto
Los sensores de medición de oxígeno disuelto (OD) consisten básicamente 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 fermentación, el sensor está cubierto por una membrana.
El oxígeno difunde a través de la membrana y se reduce en el cátodo, que está polarizado negativamente con respecto al ánodo. Esto produce una corriente que puede ser traducida como concentración de oxígeno. Habitualmente se recurre al uso de sondas de tipo polarigráfica y galvánica. La diferencia entre ellas es que éstas últimas son más baratas. Las sondas polarigráficas pueden ser fraccionablemente más rápidas y tener una vida útil más larga. Realmente las sondas OD no miden la concentración de oxígeno disuelto, sino la actividad o la presión parcial del oxígeno.
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Por esta razón las sondas OD son frecuentemente calibradas para leer el porcentaje de saturación utilizando aire y nitrógeno libre de oxígeno como los puntos de 0-100% de calibración. Es posible sin embargo relacionar la presión parcial del oxígeno con la concentración de oxígeno disuelto utilizando la Ley de Henry, ya que la solubilidad del oxígeno en los caldos de fermentación es muy baja.
Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto Ilustración 6Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto
Nivel de espuma
La formación de espuma representa un problema serio en las fermentaciones ya que se fomenta la contaminación mermando el rendimiento u obstaculizando filtros. Comúnmente muchos medios de cultivo fomentan la formación de espuma, principalmente en los cultivos aerobios por la producción de agentes espumantes como proteínas, polisacáridos y ácidos grasos. El control puede realizarse por métodos mecánicos, químicos o una combinación de los dos.
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Métodos mecánicos
Consisten de adaptaciones de disco rotatorios montados sobre el eje principal de agitación. Estos dispositivos aseguran una buena eliminación de espuma, con la desventaja de que consumen elevadas cantidades de energía, lo cual se refleja en un incremento en los costos de producción. Métodos químicos
Se realizan con la ayuda de agente antiespumantes los cuales pueden ser suministrados de forma automática. Algunos antiespumantes son metabolizados por los microorganismos, por lo cual pueden ser considerados como una fuente de carbono adicional.
Nivel de agitación
Son comunes los rotámetros los cuales determinan las revoluciones por minuto mediante mecanismos de inducción, generación de voltaje, sensores de luz o fuerzas magnéticas (tacómetros eléctricos). Éstos permiten una medición directa de las señales para alimentar los instrumentos registradores o controladores de . El tacómetro eléctrico se emplea un transductor que produce una señal analógica o digital como conversión de la velocidad de giro de la máquina.
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Figura 4.6Tacómetro Ilustración 7Figura 4.5 Sensor de medición de oxígeno disuelto
Flujo de aire
En fermentaciones aerobias el aire es transportado a través del fermentador para suministrar oxígeno y también para remover CO2, lo cual de otro modo podría afectar la actividad enzimática. 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 (volúmenes de air por volumen de reactor por minuto.
La medición de flujo de gas, incluye el suministro de aire al fermentador, para la toma de muestras de gas para el análisis y para el suministro de gas de amoniaco en el control de pH. Los instrumentos más usados para la medición de flujo son los rotámetros u los medidores térmicos de flujo de masa. En los rotámetros 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 másico determinan el flujo de gas detectando las diferencias de temperatura a lo largo de un dispositivo calefactor colocado en el paso del gas. ING. ERIKA REYES GOMEZ
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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 másico.
Figura 4.7 Rotámetro Ilustración 8Figura 4.6 Rotámetro
Medidor de nivel
Los indicadores de nivel pueden ser de nivel de vidrio y medidores de presión diferencial. En los indicadores de nivel de vidrio se instala en forma de que el líquido se comunique con el indicador de vidrio paralelo al reactor. En los medidores de presión diferencial, una celda de presión diferencial se puede usar como transmisor de nivel, ya que el nivel del líquido se refleja como una presión equivalente a la altura del líquido asociado con la densidad de este.
Otra forma de conocer el nivel del líquido, es por medio de un sensor del nivel del líquido, que mide la capacidad del condensador formado por un electrodo sumergido en el líquido y en las paredes del tanque. La capacitancia registrada depende linealmente del nivel del líquido.
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Figura 4.8 Medidor de Nivel Ilustración 9Figura 4.6 Rotámetro
Presión
Las variaciones excesivas de presión no solo pueden provocar pérdidas de producto sino que también daño a l equipo y al personal de operación. El biorreactor suele someterse a presiones de esterilización con el fin de prevenir posibles riesgos de contaminación 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 presión, con el fin de evitar el deterioro de los componentes del medio de cultivo. Para el control de la presión suelen usarse manómetros de presión o de Bourdon.
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Figura 4.9 Medidor de Presión
Análisis del gas de salida
El gas que abandona el reactor contiene diversos tipos de gases, dependiendo del tipo de reacción. En reacciones biológicas, los principales gases presentes en el gas de salida con CO2 y O2. La determinación de las concentraciones de estos gases es un indicativo de la actividad metabólica presente en el interior del reactor durante la reacción. La diferencia del contenido de oxígeno a la entrada en la corriente de salida es igual a la cantidad de oxígeno transferido al sistema.
El contenido de oxígeno se puede determinar por medio de analizadores de gas de tipo paramagnéticos. Los analizadores más populares son los de viento magnético (termomagnético) y el de deflexión (magnetodinámico). Las moléculas paramagnéticas tales como el oxígeno presentan electrones no apareados los cuales giran alrededor del núcleo. Cuando un flujo magnético es aplicado, los átomos tienen a orientarse en la dirección del campo.
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La medición de CO2 se puede realizar con analizadores de infrarrojos, los cuales consisten en una fuente de luz, una sección óptica y el sensor principal.
Figura 4.10 Analizador de Gases Ilustración 10Figura 4.9 Analizador de Gases
Espectrómetros de masa
Se basan en la separación de las moléculas ionizadas en el vacío. La separación basada en la relación de masa a carga se consigue en instrumentos magnéticos o de cuadrapolo. Potencialmente los espectrómetros de masas pueden ser utilizados tanto para el análisis continuo de gases en línea como de líquidos. Para el análisis de líquidos, una sonda que soporte una fuerte membrana permeable, se inserta en el caldo de fermentación y las sustancias disueltas como el O2 y el CO2 y cualquier líquido de suficiente volatilidad son arrastradas fuera de la solución aplicando vació. Los
espectrómetros
de
masas
pueden
ser
utilizados
para
el
análisis
simultáneamente de cualquier componente de la fase gaseosa; sin embargo en las fermentaciones está restringido tradicionalmente a oxígeno y bióxido de carbono como un sofisticado analizador de gases.
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La principal desventaja del espectrómetro de masas es su elevado consto, alrededor de diez veces más que la de cualquier analizador de gas. Pero el espectrómetro de masas es más versátil, ya que puede medir también N2, NH3, metanol y etanol simultáneamente, así como dar información cuantitativa y cualitativa sobre el intercambio de O 2 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 simultáneamente en la fermentación.
Figura 4.11 Espectrómetro de masas Ilustración 11Figura 4.10 Espectrómetro de masas
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CONCLUSIÓN
En un biorreactor es donde se realiza el proceso en donde provee los servicios necesarios para los cultivos y hace referencia su modo de operación ya se de forma continua o discontinua. En todo proceso se requiere la esterilización de los equipos a utilizar, para así evitar que haya contaminación hacia mis medios. En donde la esterilización consiste en la eliminación o destrucción de todos los microorganismos presentes en el medio. La esterilización puede hacerse mediante calor húmedo o a través de una filtración.
Un buen manejo de los biorreactores depende de gran parte de su instrumentación 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 físicos podemos encontrar lo que son la temperatura, presión, viscosidad, etc. Dentro de los sensores químicos son el pH, la fuerza iónica
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BIBLIOGRAFÍA
G:\Instrumentación y control del proceso for Bases de Microbiología Industrial.mht. G:\Esterilización.mht. G:\Pagina nueva 5.htm
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