Tecnológico de Monterrey

Campus Estado de México

Laboratorio de

Bioprocesos

Práctica II

Preparación del Biorreactor, Esterilización y

Calibración de Sensores

Mario Alfonso Arenas García A01162581

Dr. César García Díaz

2014

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Índice General

1. Resultados y Discusión…………………………………………………………………… 3

1.1 Esterilización del Biorreactor……………………………………………………….. 3

1.2 Fundamentos de Medición………………………………………………………….. 3

1.2.1 Sensor de Oxígeno Disuelto (O.D)………………………………………….. 3

1.2.2 Sensor de Temperatura………………………………………………………. 4

1.2.3 Sensor de pH…………………………………………………………………... 5

1.2.4 Sensor de Nivel………………………………………………………………… 6

2. Conclusión…………………………………………………………………………………... 7

3. Fuentes de Información……………………………………………………………………. 7

Índice de Figuras

Figura 1.1 - Configuración de Potenciómetro y Flujo de Iones H+……………………….. 6

Figura 1.2 - Sensores LLE……………………………………………………………………. 7

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1. Resultados y Discusión

1.1 Esterilización del Biorreactor

El biorreactor puede ingresar al autoclave con los frascos de pH y anti-espumante

correspondientes (o de sustratos), esto reduce la posibilidad de que haya contaminación

ya que de lo contrario se tendrían que conectar dentro de una campana de flujo laminar

o bajo la presencia de un mechero.

Todas las mangueras deben de estar ajustadas a sus puntos de entradas con un cintillo,

para evitar que se aflojen o se salgan de posición mientras se encuentren en el autoclave,

ya que pueden sufrir expansiones/contracciones por la presión y temperatura la que se

encuentran.

En los extremos de las mangueras que no tengan una conexión final; se pone algodón y

se recubre de aluminio. Aunque el agua esta estéril, es preferible evitar problemáticas

innecesarias; esto es notable con los filtros, que no deben de estar mojados ya que de lo

contrario no sirven apropiadamente.

El potenciómetro debe de ser calibrado previo a la esterilización del sistema.

El motor del reactor debe ser retirado antes de ingresar el reactor con sus elementos al

sistema. Asimismo, es importante tapar con su rosca correspondiente las entradas de las

conexiones del medidor de oxígeno disuelto y del potenciómetro; de lo contrario, pueden

sufrir algún tipo de daño por las condiciones a las cuales se realiza la esterilización.

La esterilización es húmeda, así se evita manchados en el acero inoxidable al igual que

su deterioro.

Si no se ingresa todo el sistema con sus elementos, es decir, con los frascos de los

sustratos o los diferentes pH y el anti-espumante; para poder realizar su conexión, se

realiza en una campana de flujo laminar o con la presencia de mecheros de bunsen,

usando guantes y cubre-bocas.

1.2 Fundamentos de Medición

1.2.1 Sensor de Oxígeno Disuelto (O.D)

La cantidad de oxígeno que un volumen de agua puede contener depende de tres factores

esenciales (Omega Engineering, 2014):

Presión que el oxígeno ejerce sobre la interfaz aire-agua

El agua seguirá absorbiendo oxígeno hasta que éste ejerza una presión equivalente por el

oxígeno presente en el aire en dicha interfaz. Para este punto, el agua está saturado con O2.

Temperatura que tiene el agua

Incrementar la temperatura del sistema equivale a agregar una mayor cantidad de energía,

ocasionando que las moléculas de oxígeno tengan estén más energizadas y se liberen de la

interfaz agua-aire, saliéndose del sistema.

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La cantidad de otras sustancias disueltas en el agua

Como tal, hay dos técnicas generales para poder medir O.D; cada uno emplea un sistema de

electrodos en el cual el oxígeno disuelto reacciona con el cátodo produciendo un efecto

electroquímico medible (puede ser galvánica, polarográfica o potenciométrico). (Omega

Engineering, 2014)

La primera técnica consiste en usar una celda tipo ‘Clark’, el cual es un sistema de electrodos

separados de la muestra por una membrana semi-permeable. La membrana permite que el

oxígeno disuelto en la muestra pase al electrodo evitando el paso de iones y líquidos. El cátodo

es un electrodo de hidrogeno y tiene un potencial negativo con relación al ánodo; ambos están

rodeados por un electrolito. (Omega Engineering, 2014)

Cuando el reactivo (en este caso el O2) pasa por la membrana, el cátodo pierde polaridad y

se consumen electrones. El ánodo reacciona con el producto de la reacción de despolarización

ocasionando una liberación de electrones; generando una corriente la cual está directamente

relacionada con la cantidad de oxígeno entrando al sistema. (Omega Engineering, 2014)

La segunda técnica consiste en emplear un sistema que tenga un electrodo de referencia y

uno de medición. No se emplea el uso de una membrana semi-permeable y el sistema es inmerso

directamente en la muestra. La concentración de oxígeno es determinado al medir la potencia de

voltaje generado en relación al electrodo de referencia (es un método poenciométrico). (Omega

Engineering, 2014)

1.2.2 Sensor de Temperatura

Hay dos tipos de sensores principales que pueden medir la temperatura; siendo lo de contacto y

los que no requieren de contacto. Aquellos que son de contacto incluyen lo que son termistor y

termopar, los cuales están en contacto con el objeto a medir mientras que los de no-contacto

miden por medio de la radiación térmica que libera la fuente de calor para poder determinar su

temperatura. Generalmente, éstos tienden a ser usados en entornos peligrosos ya que pueden

medir la temperatura a partir de una distancia. (Mathas, 2011)

Termopar (Mathas, 2011)

Es un par de uniones que se forman a partir de dos metales diferentes y que no presentan

similitudes. Una unión representa la referencia de la temperatura mientras que la otra es para

medir la temperatura de interés. Funcionan cuando hay una diferencia de temperatura el cual

ocasiona una diferencia de voltaje, el cual es posteriormente convertido a una medición de

temperatura.

Son baratos, confiables y no requieren de una batería, al igual de que su rango de

temperatura puede ser de -250°C hasta 3000°C (por periodos cortos), con un uso estándar

de hasta 2750°C.

Termistor (Mathas, 2011)

Tienen características similares al de los termopar, sin embargo, están hecho de un material

semi-conductivo con alta sensibilidad a la temperatura. La resistencia de un termistor

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disminuye conforme aumenta la temperatura, por lo que se puede predecir el cambio de

resistencia.

Se pueden clasificar (a su vez) en dos tipos, ya sea a partir de un coeficiente de

temperatura positivo (PTC) o un coeficiente de temperatura negativo (NTC). Esto depende

de 𝑘, el cual se refiere a la ecuación de Steinhart-Hart de Termistores. Si 𝑘 es positivo, la

resistencia aumenta al aumentar la temperatura; si es negativo, entonces la resistencia

disminuye.

Sensores Infrarrojo (Mathas, 2011)

Tienen un rango de medición de -70°C hasta 1000°C. Convierten energía térmica liberada

por un objeto en un rango de longitud de onda de 0.7-20 nm a una señal eléctrica y dada en

unidades de temperatura (compensando la temperatura ambiente).

Tienden a usarse cuando se requiere de la respuesta rápida, si el objeto está en

movimiento o se encuentra en alguna zona de riesgo o si la temperatura es sumamente

elevada para cualquiera de los sensores previamente mencionados.

1.2.3 Sensor de pH

pH como tal indica una concentración de iones de hidronio (H3O+) o de hidróxidos (OH-); del cual el primero se denomina como ácido y el segundo como alcalino o básico (tienen que estar en un exceso). (Mettler-Toledo, 2013) Es necesario medir el pH con la finalidad de poder:

Producir productos con características particulares

Reducir costos de producción

Proteger equipos

Controlar el proceso como tal; variaciones del pH puede ocasionar un menor control sobre

una reacción

Como tal, para poder realizar la medición, se requiere el uso de un material sensible a los iones de hidrógeno que definen el valor del pH (generalmente empleando el vidrio). Asimismo, para poder establecer una diferencia de potencial de pH; se requiere de una medición de referencia. Éste último no depende de las concentraciones de H+ por lo que siempre produce un potencial constante. Generalmente, un sensor ya incluye ambos electrodos integrados en sí mismo. (Mettler-Toledo, 2013)

La relación para poder calcular el potencial generado es mediante la siguiente ecuación (Mettler-Toledo, 2013):

E= E0 +2.3 RT/nF · Log [aH+]

Donde:

E - potencial medido

E0 - constante

R - constante de los gases ideales

n - carga del ión

T - temperatura en K

F - constante de Faraday

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En cuanto a los flujos de cargas que ocurren en la membrana del potenciómetro, se observa

lo siguiente:

Los iones de hidrógeno tienen difusión dentro y fuera de la capa de gel, dependiendo de la

concentración a la que se encuentren en la solución. Si dicha solución es básica, los iones salen

del gel y se forma una carga negativa en la parte externa de la membrana; sin embargo, si la

solución es ácida, entonces una mayor cantidad de iones entran al gel ocasionando que se

genera una carga positiva. (Mettler-Toledo, 2013)

Esto afecta el potencial generado por el potenciómetro, el cual al final de cuentas es dado

como un valor de pH.

1.2.4 Sensor de Nivel

Los sensores de nivel permiten monitorear los volúmenes y cantidades de fluidos dentro del

sistema, con la finalidad de poder evitar sobrepasar el nivel, detectar generación de espuma,

entre otras cuestiones.

Una forma de poder controlar los niveles de fluido puede ser empleando flotadores, los cuales

involucran la apertura o cerrado de un interruptor mecánico; ya sea mediante una operación de

contacto directo o de índole magnética del dispositivo que flota sobre el líquido. Si es mecánico,

entonces el interruptor es activado a consecuencia del movimiento del flotador sobre este mismo.

(Mathas, 2012)

Otra opción puede ser el uso de un sensor LLE, el cual emplea un fototransitor que actúa

como interruptor, el cual da de una señal digital denotando la presencia (o falta) del líquido. Un

LED y el fototransitor son puestos dentro de un domo de plástico en la punta del dispositivo, de

tal manera que la luz es reflejada internamente en su totalidad; del LED hacia el fototransitor.

(Mathas, 2012) (Ver figura 1.2)

Figura 1.1 (a) Esquema de la configuración del potenciómetro.

(b) Flujo de iones H+ de acuerdo al pH. (Mettler-Toledo, 2013)

(a) (b)

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El índice refractivo del domo cambia dependiendo de la presencia de líquido, por lo que hay

una menor cantidad de luz entrando al fototransitor. La velocidad a la cual esto ocurre es

prácticamente instantáneo para agua (y una gran variedad de líquidos). (Mathas, 2012)

2. Conclusión

Estas operaciones preparativas son fundamentales para poder tener un desarrollo adecuado del

bioproceso. La esterilización permite eliminar agentes exógenos que pueden interferir con el

crecimiento del microorganismo (o de células animales/vegetales) al igual que en la producción

de metabolitos de interés.

Asimismo, es necesario tener mediciones adecuadas ya que de lo contrario no se pueden

mantener dentro de un parámetro óptimo, afectando cuestiones semejantes a las previamente

mencionadas o sino perjudicar las características del producto generado.

3. Fuentes de Información

Mathas, C. (2012). “Selecting a Fluid Level Sensor: What You Need to Know.” Digi-Key

Corporation. Obtenido el 5 de febrero de 2014 de:

http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/mar/selecting-a-fluid-level-sensor-what-you-

need-to-know

Mathas, C. (2011). “Temperature Sensors; the Basics.” Digi-Key Corporation. Obtenido el 4 de

febrero de 2014 de: http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2011/oct/temperature-sensors-

the-basics

Mettler-Toledo. (2013). “A Guide to pH Measurement - the Theory and Practice of pH

Applications.” Obtenido el 4 de febrero de 2014 de: http://www.mt.com/dam/non-

indexed/po/pro/Brochures/IB_pH_Theory_Guide_EN_230113.pdf

Omega Engineering. (2014). “Technical Dissolved Oxygen - The Fundamentals.” Obtenido el 4

de febrero de 2014 de: http://www.omega.com/techref/ph-1.html

Figura 1.2 Sensores LLE. Observar punta curveada, la cual denota el

domo en el cual se encuentra el LED y el fototransitor. (Mathas, 2012)