Infraestructura y equipamiento

Biorreactores
Biorreactor MiniFors 2

Los procesos industriales requieren de acciones de instrumentación y control automático para garantizar su operación adecuada. Para este propósito se requiere conocer el proceso a controlar, perturbaciones y requerimientos de operación. Con base en el conocimiento del sistema se pueden elegir los sensores de medición, actuadores y estrategia de control adecuados. La validación del sistema de control debe hacerse con una metodología estricta a nivel simulación considerando perturbaciones que afecten al sistema, previo a la implementación en tiempo real en el proceso industrial bajo análisis. El control de los procesos se traduce en una economía mayor, en una mejor calidad y en un mayor nivel de seguridad, tanto para los operarios como para las máquinas. La instrumentación en el laboratorio de bioprocesos desempeña un papel fundamental en el monitoreo y control de procesos para el desarrollo de experimentos. Las variables para monitoreo y control pueden incluir temperatura, pH, concentración de oxígeno, flujo, presión, nivel, entre otros. La instrumentación no sólo permite la recolección de datos en tiempo real, sino que también facilita la automatización y optimización de los procesos, contribuyendo así a la eficiencia y reproducibilidad de los experimentos. El biorreactor Minifors 2 de INFORS HT se utiliza para realizar procesos biológicos con microorganismos o células animales en entornos de investigación y desarrollo biotecnológico. Este biorreactor específico está diseñado para el tratamiento de aguas residuales, generación de biogás y obtención de subproductos de valor agregado. En las siguientes secciones se detalla la instrumentación del equipo, siguiendo las normas de identificación y símbolos proporcionados por el estándar ANSI/ISA-5.1-2009. Además, se indican los pasos para realizar la práctica.
 

Funcionamiento del biorreactor

El biorreactor Minifors 2 se utiliza como un fermentador de sustratos orgánicos para su tratamiento y la producción de biogás mediante el establecimiento de condiciones específicas de operación. El equipo cuenta con instrumentos de medición de pH, temperatura, oxígeno, conductividad y actuadores de control de agitación y bombeo. La regulación del proceso se realiza mediante controlador PID que permite ajustar de manera precisa las condiciones de operación. La fermentación oscura es un bioproceso para producción de biohidrógeno que se lleva a cabo en varias fases clave. En primera instancia, se procede a la depuración y gasificación del medio de cultivo con el fin de crear condiciones óptimas para el desarrollo del bioproceso. Posteriormente, se introduce un inóculo compuesto por diversas bacterias, incluyendo Enterobacteria, Clostridium y Escherichia coli, provenientes de lodos de una planta de tratamiento de agua residual (PTAR Agua Prieta). Finalmente, se ejecuta la puesta en marcha y estabilización de las variables críticas como pH, temperatura y oxígeno disuelto, garantizando un control preciso durante el desarrollo del experimento.

Lazos de control

Temperatura:

• Componentes: Sensor RTD pt100, resistencia eléctrica, software Labview, hardware para adquisición de datos.
• Función: Garantiza una temperatura constante y controlada en el biorreactor, esencial para el desarrollo óptimo de microorganismos y procesos bioquímicos. El sensor RTD pt100 registra las mediciones de temperatura, transmitiendo la información al sistema de control del biorreactor. Allí, se compara el valor con el setpoint y se toma la decisión de ajustar la temperatura. Este ajuste se ejecuta mediante el control de potencia en la resistencia eléctrica, para aumentar o disminuir la temperatura.

Lazo de Control de pH:

• Componentes: Sensor óptico de pH, bombas peristálticas de ácido y base, software Labview, hardware para adquisición de datos.
• Función: Su función principal radica en mantener el pH en un valor neutral, supervisando y ajustando las adiciones de ácido y base según sea necesario para crear un entorno propicio para las reacciones biológicas. El sensor óptico de pH realiza mediciones continuas y transmite esta información al sistema de control del biorreactor. En este punto, se lleva a cabo una comparación con el setpoint establecido y se emite una orden para corregir el pH. Dependiendo de esta decisión, se activa ya sea la bomba peristáltica de ácido o de base, permitiendo la adición precisa de solución ácida o básica desde los recipientes conectados a las bombas peristálticas. Este proceso garantiza un control efectivo del pH, esencial para el éxito de las reacciones biológicas en el biorreactor.

Lazo de presión parcial de pO2:

• Componentes: Sensor óptico de oxígeno, válvula de control de flujo de aire, agitador, software Labview, hardware para adquisición de datos.
• Función: Regula la concentración de oxígeno disuelto en el medio, optimizando las condiciones para las bacterias aeróbicas y promoviendo la producción eficiente de biogás. El sensor de oxígeno mide la cantidad de oxígeno disuelto y transmite la señal al sistema de control del biorreactor. Aquí, se compara con el setpoint establecido, y se ajusta el actuador de paso de flujo de oxígeno. También se puede tomar la decisión de ajustar las revoluciones por minuto del agitador. Este lazo se utiliza para un bioproceso aerobio para tratamiento de aguas residuales y reducción de carga orgánica.

Lazo de control de antiespuma:

• Componentes: Sensor conductivo, bomba peristáltica de solución antiespuma, software Labview, hardware para adquisición de datos.
• Función: Detecta y controla la formación de espuma en el biorreactor, previniendo posibles interferencias en el proceso y garantizando un entorno de trabajo estable. El sensor conductivo de espuma monitorea constantemente la presencia de espuma y transmite la información al sistema de control del biorreactor. Tras identificar la presencia de espuma, se toma la decisión de acción. En este caso, se activa la bomba peristáltica de solución antiespuma para agregar la cantidad adecuada de solución antiespuma al biorreactor desde el recipiente conectado a la bomba.

Otros sensores

Sensor de flujo volumétrico de biogás:

El μFlow es un instrumento para medir micro caudales de gases con extrema precisión. El μFlow está pensado para realizar on-line la medición en tiempo real de todos los gases inertes o ligeramente agresivos. Además, permite un amplio intervalo de relevación y es ideal para aplicaciones en laboratorio. Las aplicaciones posibles comprenden: estudios de proceso para producir biogás, fermentación del etanol, fermentación oscura para bio-hidrógeno y la relevación de la generación de gas. Intervalo de medición: desde 20 a 4000 ml/h. Precisión +/- 1%, resolución de medición 10 ml.

Sensor de conductividad:

El sensor de conductividad es adecuado para aplicaciones biofarmacéuticas típicas y se compone generalmente de dos electrodos sumergidos en la solución que se va a medir. Así, la corriente eléctrica fluye a través de los electrodos y a través de la solución, y la medición de la resistencia eléctrica proporciona una medida indirecta de la conductividad de la solución. Cuando la mayoría de los sólidos disueltos totales que se encuentran en el agua son electrolitos (es decir, se encuentran disociados), la conductancia de la solución es proporcional a su concentración. Rango de medición: 1 a 300 μS / cm Precisión a 25 ° C: ± 3% a 1 μS / cm a 100 mS / cm, ± 5% a 100 a 300 mS / cm.

Manuales de operación:

Descargable 1: Manual biorreactor Minifors 2.pdf

Descargable 2: Manual-uFlow.pdf

Biorreactor LabFors 5

El pH es una magnitud importante  para una gran cantidad de procesos biotecnológicos, como por ejemplo en la neutralización de desperdicios alimenticios. También ha cobrado gran relevancia en la minería y en el control de la contaminación, como es el caso de la neutralización de desechos industriales. Los valores altos y bajos de pH son tóxicos para organismos acuáticos, ya sea directamente o indirectamente. Es el parámetro más importante utilizado en la evaluación de las propiedades corrosivas de un medio ambiente acuático. Asimismo, es importante para el funcionamiento efectivo de los procesos de tratamiento de aguas, el control de plumbo solvencia de aguas potables y tratamiento biológico de aguas residuales y los vertidos de aguas residuales. El control de esta variable es en general difícil de realizar debido a la dependencia altamente no lineal entre los reactivos que ingresan al sistema y el pH que se establece. En el laboratorio se cuenta con un reactor de tanque agitado continuo (CSTR) instrumentado que opera con un volumen constante de una solución ácida, la cual se neutraliza mediante una solución alcalina, ambas con valores de pH conocidos. El monitoreo continuo del pH en la mezcla dentro del reactor tiene como objetivo principal caracterizar el proceso y desarrollar un modelo matemático para su simulación. Este modelo abarca los flujos y concentraciones de las soluciones ácidas y básicas. La ejecución de la puesta en marcha del equipo de neutralización es esencial para iniciar el proceso. Además, se busca caracterizar el comportamiento del sistema a través de la respuesta temporal ante una entrada escalón en lazo abierto. Este enfoque permitirá obtener los valores necesarios de los parámetros para el modelo matemático. Posteriormente, se procederá a validar el modelo mediante simulación, asegurando la precisión y confiabilidad de las predicciones del sistema. Este enfoque integral no solo establecerá las bases teóricas del proceso de neutralización, sino que también respaldará su aplicación práctica a través de modelos simulados.

Funcionamiento del biorreactor

El Biorreactor LabFors tiene una capacidad de 5 litros y está instrumentado para monitoreo y control de fermentación biológica. La presencia de bombas peristálticas facilita la dosificación precisa de nutrientes y soluciones requeridos en el proceso. Además, la medición de pH, temperatura, conductividad, oxígeno entre otros permite mantener condiciones de operación adecuadas. El monitoreo y adquisición de datos se realiza mediante el software Iris el cual permite modificar los valores de operación. Con los datos del proceso se puede analizar el comportamiento dinámico, modelar y estimar variables de interés para generación de conocimiento y aplicaciones en el campo de la biotecnología.

Manual de operación:
Manual Biorreactor Labfors 5.pdf