Biorreactores

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE LAS VARIABLES DE UN BIORREACTOR

Los biorreactores están equipados con distintos instrumentos. Estos se utilizan para facilitar el registro y análisis de variables de operación y de parámetros específicos que sirven para mantener, dentro de ciertos intervalos de valores, las condiciones de operación de la biorreacción con fines de maximizar la productividad y garantizar el éxito de la biorreacción. La instrumentación ha sido definida como “un ventana de proceso” y su objetivo es mantener al mínimo la diferencia entre el valor medido y un valor deseado. El control de un parámetro particular se lleva a cabo a través de un sistema que consta de un sensor (electrodo), un medidor y un controlador: el sensor es un dispositivo que transforma una magnitud de una propiedad que se quiere medir, en otra que facilita su medida. El medidor recibe la medida del valor de la propiedad que emite el sensor. El controlador compara dicha medida con un valor fijo. Del resultado de la comparación, el controlador toma una decisión enviando una señal (generalmente eléctrica) a algún dispositivo que ajustará el valor medido de la propiedad hasta el valor predeterminado o de control (set point).La señal implica usualmente la modificación del estado de una válvula, el encendido o apagado de una bomba dosificadora, la modificación de la velocidad de giro de un motor de algún equipo, etc. Si, por ejemplos e hace necesario el uso de una determinada fuerza para modificar el estado de una válvula, se requerirá de un transductor y una actuador. El transductor es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro tipo de energía, mientras que los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de energía eléctrica, gaseosa o líquida.

Los sensores pueden estar conectados directamente al biorreactor (en contacto directo con la masa líquida o sólida de fermentación), en cuyo caso se dice que están “en línea”, si no están conectados directamente al biorreactor entonces se dice que están “fuera de línea”. Debido a la naturaleza de la biorreacción, se requiere que la gran mayoría de los “sensores en línea” reúnan, entre otros, los siguientes requisitos: i) que sean capaces de resistir el proceso térmico al que se somete el caldo de cultivo en el biorreactor (esterilización con calor húmedo); ii) que sean capaces de resistir las presiones de operación; iii) que sean de fácil calibración; iv) que muestren valores estables; v) que su mantenimiento sea fácil y económico y vi) que tengan una adecuada vida media útil.

Estos sensores (en línea), se utilizan, básicamente, para medir propiedades físicas o variables de operación tales com temperatura, presión, intensidad de agitación o velocidad de giro de los impulsores, velocidades de flujo de líquidos y gases, y para medir ciertas propiedades químicas como pH, concentración de oxígeno disuelto y gaseoso, concentración de dióxido de carbono disuelto y en el gas, concentración de azúcares disueltos, concentración de algunos productos celulares, etc. Para conocer el estado de una variable de operación o de un parámetro específico con sensores “fuera de línea”, se deberá tomar asépticamente una muestra para que en ella se mida la propiedad. Por los tiempos y necesidades de los Bioprocesos, es fácil concluir que los sensores en línea son mucho más adecuados para controlar el valor de una propiedad en una biorreacción.

Entre las propiedades más comunes que se miden en un biorreactor están las siguientes:

1. Temperatura

2. pH

3. Flujo de aire

4. Presión

5. Intensidad de agitación

6. Nivel o Volumen de medio de cultivo

7. Espuma

8. Concentración de oxígeno disuelto

9. Concentración celular

10. Concentración de sustrato

11. Concentración de producto

Medición y control de pH

El pH es una medida de la actividad de los iones hidronio (H+) en una disolución acuosa y está definida por la siguiente ecuación:

pH = - log10 [H+] (1)

Para la medición y control del valor de pH, se utiliza un electrodo de vidrio colocado, en forma aséptica, en el biorreactor y que está directamente en contacto con el caldo de fermentación. El electrodo, normalmente esterilizable, se conecta directamente a un medidor-controlador de pH, con el cual se puede establecer el valor de control (Set

Point) o ajustar el valor de la lectura que proporcione el electrodo de medición.

Un electrodo de pH consiste de dos celdas: un elemento sensor del pH y un elemento de referencia. El elemento sensor consiste de un alambre de plata cubierto con cloruro de plata inmerso en una solución buffer (usualmente de pH 7), en un tubo sellado que termina con un fino bulbo de vidrio sensible al pH. El elemento de referencia consiste de otro alambre de plata cubierto con cloruro de plata inmerso en una solución buffer

saturada de cloruro de potasio y un diafragma poroso que comunica con la sustancia a la que se medirá el pH. Dicho electrodo comúnmente se construye como una sola unidad, con el sensor de referencia construido en una parte anular del elemento sensor.

El método se fundamenta en la existencia de una diferencia de potencial entre las dos caras de la membrana de vidrio, expuestas a disoluciones acuosas que difieren en su valor de pH. A temperatura constante, la magnitud de esta diferencia de potencial es directamente proporcional a la diferencia de pH entre dichas disoluciones.

Debido a que el electrodo de vidrio y los electrodos de referencia comerciales tienen un comportamiento imperfecto, es preciso calibrar el dispositivo de determinación del pH con dos disoluciones patrón antes de usarlos en los biorreactores. Para ello, se sumergen los electrodos sucesivamente en dos disoluciones patrón con valor conocido denominados P1 y P2, a la misma temperatura que la disolución problema y seleccionadas de forma que el valor de pH de la disolución problema esté comprendida entre los valores de pH P1 y P2.

Como el valor del pH del caldo de fermentación puede cambiar después de ser esterilizado, por causas del drástico tratamiento térmico, se recomienda recalibrar el electrodo. Para esto, se hace necesario tomar asépticamente una muestra del caldo de fermentación y medirle, con un medidor y un electrodo “fuera de línea”, su valor de pH.

En caso de que el valor que muestre el electrodo “en línea” sea distinto del que marca el “fuera de línea”, se ajustará el valor de aquél con el equipo de medición empleado en el biorreactor. Una vez realizado todo lo anterior, se está en posibilidades de medir y

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