INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE

INGENIERÍA CAMPUS GUANAJUATO

Laboratorio de Biorreactores

Profesores
Rodríguez Sierra Juan Carlos
Juan Manuel Salgado Román

Practica 2
“Instrumentación y Control de los Biorreactores”

Integrantes
Ayala Sánchez Adrián Arturo
García Hernández José Guadalupe
Medina Maldonado María de la Luz
Ortega Huerta Daniela Elizabeth
Reyes Zamora Diana

Equipo #2
5BM1

Silao de la Victoria, 22 de Septiembre de 2022.

Contenido

Resumen........................................................................................................................................ 4
Introducción.................................................................................................................................... 4
Objetivos........................................................................................................................................ 8
Descripción del Sistema................................................................................................................. 8
Materiales y equipo...................................................................................................................... 12
Metodología.................................................................................................................................. 13
Resultados y discusión................................................................................................................ 14
Conclusión................................................................................................................................... 23
Referencias.................................................................................................................................. 23
Resumen

Los biorreactores deben de cumplir con condiciones óptimas para llevar a cabo reacciones
biológicas, para que se pueda cumplir con las mismas es necesario controlar de manera precisa
variables como la temperatura, pH, presión, aireación (si es que el sistema es aerobio), entre otras.
Por lo tanto, al cumplir con el correcto control de las variables se asegura la supervivencia del
organismo y del producto a obtener, para poder llevar este correcto control, las variables deben de
ser monitorizadas y controlables. Se precisaron los diferentes tipos de instrumentalización y
especificaciones de los sistemas de control en el laboratorio para su correcto uso, así como
identificar las variables que intervienen en ellos debido a que es necesario la optimización en el
proceso de control de cultivos.

Introducción

Un biorreactor es un sistema controlado donde se llevan a cabo reacciones biológicas, de forma

más puntual se pude definir como un dispositivo capaz de proporcionar un medio controlado en el
que se permite el crecimiento y formación eficaz de células para la obtención de un producto.
(Flores 2022)
Para el sistema en óptimas condiciones es necesario tener sistemas de control, donde se puedan
medir diferentes parámetros, entre los que se clasifican como físicos y químicos. En biorreactores
equipados la instrumentación básica puede proveer suficiente información para determinar la masa
total, la velocidad de agitación, potencia y torque, potencial redox, concentración de dióxido de
carbono disuelto y velocidades de flujo de gas y líquido dentro del reactor. Mientras que el control
básico es sobre las variables de temperatura, pH, concentración de oxígeno disuelto, nivel de
espuma y nivel del líquido.

Sensores de propiedades físicas:

Son monitoreados continuamente, y son la temperatura, presión, agitación y velocidad de agitación,
viscosidad del medio, flujo y concentración de gases y fluido, espuma, volumen y masa (Arévalo,
2003).
Medición de propiedades químicas:
Se utilizan electrodos esterilizables al vapor, de pH, redox, oxígeno disuelto y CO2. (Arévalo,
2003).
En la figura 1 se muestra una tabla de la variable y equipos utilizados como instrumentos de
medición más comunes.
 Figura 1. Instrumentos de medición (Arévalo, 2003).
La instrumentación y control de un biorreactor requiere 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 (Arévalo, 2003).

Sensor de Oxígeno Disuelto

Principio del Sensor polarográfico de O2 disuelto
Los sensores polarográficos de oxígeno disuelto usan una membrana permeable al oxígeno que
permite una reacción de reducción química que produce una señal eléctrica para capturar el valor
de concentración del oxígeno disuelto. Estos sensores de OD electroquímicos ofrecen mediciones
de alta exactitud incluso con niveles bajos de oxígeno en diversos entornos industriales. (Mettler-
Toledo International Inc., 2022)
Un microorganismo o célula responde a la concentración de oxígeno en la regulación de su
metabolismo en general. Por lo tanto, el conocimiento de la concentración DO2 y el control
adecuado durante el proceso son de gran importancia. El O2 sensor AppliSens está diseñado
específicamente para mediciones a largo plazo, estables y precisas en bioprocesos. (VERTEX,
2017)
Válvula Solenoide
Las válvulas solenoides cuentan con un sistema de cierre y apertura controlado por una bobina
montado encima de la válvula, sobre la cual, a su vez, se construye un pequeño programador
alimentado eléctricamente, con pilas, baterías y/o tensión de red. Funcionan ligadas a un
programador central que normalmente controla varias válvulas, por lo mismo, muchos sectores de
riego.
El funcionamiento de la válvula, se solenoide consiste en un bobinado por el cual circula un flujo
eléctrico y en cuyo centro tiene un núcleo de ferrita móvil, formando un electroimán, cuando se
activa se acciona dicho electroimán, dejando abierto un conducto por el cual circula una mínima
parte del caudal de riego, y que eso sólo sirve para producir una descompensación de presión
dentro de la válvula, la válvula puede ser operada de forma manual.
La apertura de la válvula funciona debido a dos cámaras de agua separadas por una membrana de
caucho permeable, en la parte superior lleva un resorte que ayuda al cierre de la válvula. Cuando el
solenoide está cerrado, la presión superior es igual a la presión de la red de riego, por lo que el
resorte hace que la presión total de la cámara superior sea mayor que la presión de la red,
cerrando la válvula al paso del agua. Al abrirse el solenoide (con electricidad), conecta la cámara
superior de la válvula con del sector de riego, la que está a una presión más baja que la cámara
inferior de la válvula, por lo que el resorte es vencido fácilmente, abriéndose la válvula al paso del
agua.

Figura 2. Esquema de válvula solenoide

Sensor de pH
Diseño e instrumentación de biorreactores:
Sensores de pH
Para realizar la medición de pH se usan básicamente dos tipos de sensores, los sensores
electroquímicos y los sensores ópticos.
Los sensores electroquímicos transducen la actividad química del ión de hidrógeno en una señal
eléctrica. Los componentes básicos de un sensor electroquímico son un electrodo de trabajo (que
detecta), un contra electrodo y generalmente también un electrodo de referencia. Estos se
encuentran dentro de la carcasa del sensor y en contacto con un líquido electrolítico. El electrodo
de trabajo está en la cara interna de una membrana de teflón que es porosa al gas, pero
impermeable al líquido electrolítico. El pH es determinado por la diferencia de voltaje producido
entre estos dos electrodos.
Sistema de Control:
Se denomina sistema de control al conjunto de elementos conectados de formas que permiten
controlar una o varias variables de un proceso denominado planta o sistema. Es importante el
controlador de lazo abierto y lazo cerrado en donde el primero carece de un detector de señal de
error y de controlador, mientras que el circuito de lazo abierto es el camino que sigue la señal
desde el controlador hacia la válvula de proceso y re-alimentándose a través del transmisor hacia
un punto de suma con el punto de consigna. A continuación, se muestran características de los
controladores antes mencionados.

A. Control de Lazo Abierto.

● La salida no se mide ni se realimenta para compararla con la entrada. Por lo que, para cada
entrada de referencia corresponde una condición de operación fijada. Así la exactitud del sistema
depende de la calibración. Calibrar significa establecer una relación entre la entrada y la salida con
el fin de obtener del sistema la exactitud deseada. Así la exactitud del sistema depende de la
calibración.
● Es insensible a las perturbaciones; por lo que es útil cuando se tiene la seguridad que no
existen perturbaciones actuando sobre él mismo.
● Es un sistema de control en el que la salida no tiene efecto sobre la señal o acción de
control (Pérez et al, 2008).

Elementos de un sistema de control en lazo abierto:

❖ Controlador: Puede ser un amplificador, filtro, unión mecánica u otro elemento de control,
pero también puede ser una computadora tal como un microprocesador.

❖ Proceso controlado: Una señal de entrada o comando se aplica al controlador, cuya salida
actúa como una señal de control o señal actuante, la cual regula el proceso controlado, de tal forma
que la variable de salida o variable controlada se desempeñe de acuerdo con ciertas
especificaciones o estándares establecidos (Pérez et al, 2008).
La fig.3 muestra el sistema esquematizado de la implementación de lazo cerrado.

Figura 3. Sistema de lazo abierto (Pérez , 2008).

B. Control de Lazo Cerrado.

● La salida o señal controlada, debe ser realimentada y comparada con la entrada de
referencia, y se debe enviar una señal actuante o acción de control, proporcional a la diferencia
entre la entrada y la salida a través del sistema, para disminuir el error y corregir la salida
● La señal de salida tiene efecto directo sobre la acción de control.
● La diferencia entre la señal de entrada y la señal de salida se la denomina señal de error del
sistema; esta señal es la que actúa sobre el sistema de modo de llevar la salida a un valor
deseado.
● Al hablar de lazo cerrado implica el uso de acción de realimentación negativa para reducir el
error del sistema (Pérez et al, 2008).

Controladores.
Un controlador es el elemento, dentro del sistema de control, que se encarga de mantener la señal
en el punto deseado y lo más estable posible. Existen diferentes controladores que se pueden
integrar de manera individual o en conjunto en un sistema de control, como lo son:
● Controlador P (Proporcional): La acción del elemento regulatorio (salida del controlador) es
proporcional a la señal de error. Es limitada debido al desempeño que puede tener.
● Controlador I (Integral): La salida del controlador es proporcional a los errores acumulativos
del proceso. Su limitación es que dicho control es muy lento.
● Controlador D (Diferencial): Mejora la respuesta transitoria por lo que no puede utilizarse
individualmente. Su desventaja recae en que amplifica las señales de ruido lo que podría arrojar un
error mayor.
Usualmente los controladores P I y D se combinan para tener un mejor control. Por lo tanto, existen
controladores PI, PD y PID (Anaya et al, 2014).
Siendo el control PID, el controlador más recomendable pues aumenta la estabilidad con la parte
derivativa y proporcional, la rapidez de respuesta de la parte derivativa y arroja una mayor exactitud
con la parte integral.
En la fig.4 se muestra el sistema de lazo cerrado, muestra la relación entrada-salida de un sistema
de control de lazo cerrado.

Figura 4. Sistema de lazo cerrado (Pérez, 2008).

El controlador PID es uno de los controladores más completos debido a que se basa en la
combinación de los parámetros proporcional (P), derivativa (D) e integral (I) mediante un algoritmo
de control. (Bello, 2000)
Proporcional: aproxima el error de estado estable a cero, ocasiona un oscilamiento en la señal de
salida, sin embargo, no toma en cuenta el tiempo en el que tarda el sistema a su valor de seteado,
tiene una respuesta lenta.
Acción de control Integral: Calcula la integral de la señal de error para eliminar el error de estado
estable producido por las perturbaciones, a más de disminuir el valor de la desviación de la
referencia que produce cuando se aplica un control proporcional

Objetivos
A. Objetivo general:

 Identificar el sistema de operación del control de variables y sistemas de medición en

diferentes biorreactores.

B. Objetivos específicos:

 Investigar los sistemas básicos de medición y control de variables de operación en un

biorreactor.
 Comprender los sistemas de medición y control para los biorreactores

Descripción del Sistema

A continuación, se describe el sistema con cada una de sus partes del ez-controller con el
tanque agitado.

Figura 5. Vista frontal del ez-controler y el tanque

Figura 6. Vista lateral del ez-controler

Figura 7. Vista trasera del ez-contoler

A continuación, en la tabla 1 se describe cada uno de los componentes del sistema
Tabla 1. Componentes numerados del sistema
Número Componente
1 Botón de para de emergencia
2 Pantalla
3 Rótametro manual
4 Rotámetro manual/automático (solenoide)
5 Salidas de gas
6 Bomba peristáltica para alcalino
7 Bomba peristáltica para ácido
8 Bomba peristáltica para antiespumante
9 Motor
10 Ensamble para el motor
11 Tanque
12 Conexiones para la circulación térmica
13 Conexiones para los sensores y motor
14 Entadas para gases
15 Entrada de agua
16 Puertos de comunicación
17 Conexión a la corriente y switch de
encendido
El ez-controller dispone de una pantalla táctil para poder manipular los valores de
referencia y operación de cada una de las variables.

Figura 8. Distribución de la pantalla de operación del ez-controller

1. Menú y mode de operación, puede ser view, operador o ingeniero.
2. Sistema de ácido, alcalí y antiespumante
 3. Setpoints de las variables de velocidad de agitación, pH, temperature y oxígeno
disuelto
4. Control de temperature por la mantilla
5. Fuente de gas y de líquido de enfriamiento
6. Valor de la variable descrita debajo, el color verde significa que está cerca del valor
del setpoint, el Amarillo precaución y el rojo que sobrepasa los límites establecidos.
7. Nombre de la variable medida, al tocar el nombre muestra el valor en forma de
tabla, datos o gráfica.

Figura 9. Visualización de graficación, recta más baja el el límite inferior, la siguiente el

valor medido, la siguiente el setpoint y la superior es el límite superior, mide la variable en
función del tiempo.
Materiales y equipo
1. Ez-controler
2. Tanque agitado}
3. Motor de agitación
4. Sensor de pH
5. Termopar
6. Sensor de dO2
7. Manguera de silicón
8. Agua
9. Solución NaOH 0.5M
10. Solución HCl 0.5M
Metodología

Figura 10. Diagrama general que se siguió en la práctica

Figura 11. Modo para que el controller controle los valores de las variables de temperatura,
pH, velocidad de agitación y oxígeno disuelto.

Figura 12. Diagrama de calibración del sensor de temperatura

Figura 13. Diagrama de calibración del sensor de pH

Figura 14. Diagrama de calibración del sensor de oxígeno disuelto

Resultados y discusión
En esta práctica se revisará la forma en que se maneja la consola de control de las variables del
biorreactor. Así como la forma de calibración de algunas de sus variables. Se tienen diferentes
variables a medir en un biorreactor para que el cultivo que se tenga en éste se pueda encontrar en
las mejores condiciones, entre ellas están:
 Temperatura
 Agitación
 Oxígeno disuelto
 Nivel/ Espuma
 pH

En la figura 15 se observa la pantalla de la consola de control de las variables del biorreactor.

Figura 15. Pantalla de inicio de la consola de control del biorreactor de tanque agitado marca
Applikon.

A continuación, se revisan los sensores que la consola del reactor tanque agitado Applikon posee,
su funcionamiento y características de acuerdo con el manual para biorreactores de 1 a 20L marca
Applikon Biotechnology.
.

Control de las variables.

Temperatura.
SENSOR Termopar
 Se establece una temperatura de control deseada; el controlador manda una señal para
verificar si cumple con la indicación, de no ser así, manda la señal a los actuadores:
• Manta de calefacción.
CONTROL • Agua de enfriamiento.
Si tenemos una T por debajo de la deseada se activa la manta.
Si la temperatura esta por arriba de la deseada se activa la alimentación de agua de
enfriamiento.
TEMPERATURA

ESQUEMA

o El sensor de T se pone en el termopozo con agua. Existen 2 actuadores, 1 para enfriar

(agua a T ambiente) y otro para calentar.
o Debe de existir una congruencia entre los valores de set-point dados y los límites
NOTAS establecidos.
o El controlador manda una alarma visual al usuario notificando que la T es alta o baja.
o El proceso de calentamiento y agitación deben ser lentos para evitar cambios bruscos
de temperatura en caso de suministrar energía extra

Este parámetro debe controlarse ya que varía según la biomasa del sistema (Doran, 2012); para
ello se utiliza el sensor llamada termopar que se coloca centro del termopozo con un poco de agua
destilada, así como una mantilla de calentamiento alrededor del recipiente de vidrio.

En este caso se colocó en el recipiente 4L de agua de la llave a temperatura ambiente y en la

consola se introdujeron un set point de 33°C entre los límites de 20°C y 34°C, accionando de esta
forma la mantilla de calentamiento.

Fi
gura 16. Medición y control de la temperatura
Los termopares son el medio de medida más utilizado, esto debido a que cuentan con un rango de
temperatura muy alto, de hasta 1700°C (WIKA, 2016).
De acuerdo con el manual de operación de Applikon esta mantilla puede calentar hasta una
temperatura de 80°C y consumir 178 W de energía aproximadamente; lo que significa una gran
transferencia de calor.
Según Matthews, (2008) los sistemas más económicos para transferencia de calor son las mantillas
o intercambiadores internos mientras que los más caros suelen ser las chaquetas exteriores,
además estas últimas solo son útiles a temperaturas mayores a los 70°C. Finalmente, en los casos
en que se utilice la matilla será un menor consumo de energía, pero deberá anticiparse el tiempo
que requerirá llegar a la temperatura deseada para el bioproceso.

Este control tiene una acción derivativa lo que lo convierte en un parámetro preventivo, debido que
predice el error y emplea una acción oportuna para corregirlo. Dicha acción, reacciona a la rapidez
de entrada y altera la señal de salida, por lo cual actúa ante la velocidad del cambio del error y lo
corrige antes de que el error incremente

Figura 17. Control derivativo del sensor de temperatura.

Agitación
MONITOREO Motor de agitación

Un codificador, presente en el motor, se utiliza para la retroalimentación al controlador

CONTROL del motor.
Va de la mano con aireación por lo que se menciona más a detalle en esa sección.
AGITACIÓN

ESQUEMA

Se puede elegir si actuara por medio de agitación mecánica o neumática

El motor del agitador viene con cuatro tornillos del motor para encajar en el conjunto del
agitador y un acoplamiento cubierto (flexible) u horquilla para evitar vibraciones durante
NOTAS el funcionamiento.
El motor del agitador solo se opera cuando está correctamente asentado en el conjunto
del agitador del Biorreactor y durante el bioproceso.
Existen diferentes tipos que se utilizan según la capacidad volumétrica del biorreactor.
Según el manual de operación de biorreactores de la marca Applikon, existen diferentes tipos de
motores para la agitación y por ende diferentes rangos de velocidades que dependerán del
volumen total del biorreactor. Los más comunes son los siguientes:

Tabla 1. Tipos de motores para la agitación

Rango de velocidad
Volumen del reactor (L) Tipo de motor Características
(rpm
Trabaja con medios de
baja viscosidad y
2-7 0 – 1250 P100 velocidades de agitación
bajas (100-200 rpm)
Peso: 1.6 kg
Utilizado en aplicaciones
exigentes con
medios viscosos y
2-7 0 – 800 P140
velocidades del agitador
de hasta 800 rpm.
Peso: 1.9 kg
Para uso normal y
aplicaciones con
2-7 0 – 1250 P310 velocidades de agitación
de hasta 1250 rpm.
Peso: 3.9 kg
Motor estándar para
biorreactores de cultivo
celular y un rango de
15 - 20 0 – 200 P100, i=6 velocidad de agitación
estándar de 0 a 200
rpm.
Peso: 2.4 kg
Se puede utilizar en
biorreactores
esterilizables in situ
15 - 20 0 – 1000 P1000 como
agitador de
accionamiento superior.
Peso: 8.1 kg
se basa en el motor
P1000, pero una caja de
engranajes planetarios
15 - 20 0 – 200 P1000, i=5 reduce la velocidad de
agitación 5 veces a un
rango menor.
Peso: 11.4 kg

También existen dos tipos de acopladores del motor uno es con sello en forma de labios y el otro
es magnéticamente. El siguiente recuadro representa sus principales características.

Tabla 1.1. Principales diferencias entre los tipos de acopladores

Acoplamiento en con sello en forma de labio Acoplamiento magnético
 Acero inoxidable.  Acero inoxidable
 Esterilizable en autoclave para largos  Esterilizable en autoclave para largos
periodos de funcionamiento y mínimo periodos de funcionamiento y mínimo
mantenimiento. mantenimiento
 está acoplado directamente al motor del  Está especialmente desarrollado para
agitador. Esta es la forma más común de aplicaciones relacionadas con organismos
acoplamiento, en la que se garantiza un de ingeniería genética y cultivo celular. Esto
funcionamiento sin contaminación mediante asegura una operación absolutamente libre
el uso de juntas de labios de vitón. de contaminación ya que no hay un sello
 móvil entre el contenido del reactor y el
medio ambiente.

Aireación / Oxígeno

El sensor para monitoreo de concentración de oxígeno disuelto es marca AppliSens, de acuerdo

con VERTEX (2017). En la siguiente tabla se muestra el proceso para el monitoreo y control del
oxígeno presente en el medio mencionado por AppliSens (2017).
 Aireación con aire, nitrógeno u oxígeno, control de velocidad del agitador
 Sensor polarográfico DO2 sensor AppliSens de 12mm de diámetro
 Rango:
MONITOREO
- 0% a 500% (Aire)
- 0% a 100% (Oxígeno)
 Precisión ±0.1 %
CONTROL  Filtro de entrada/Salida de gases (polipropileno, esterilizable en autoclave)
 Válvula de control manual y control automático con válvula solenoide
 Difusor: Los spargers o tuberías de entrada de gas son tubos que se sumergen en
el medio, esparciendo en el medio el gas que se agrega.
- Tipo L: Se puede aplicar cuando se requieran caudales de gas elevados, ya que
provoca casi ninguna caída de presión.
- Poroso: En los cultivos de cultivo celular, el alto flujo de gas dañará las células
debido al esfuerzo de corte. Para encontrar la demanda del oxígeno de las células
a menores flujos de gas la superficie de intercambio debe ser alta. Esto se logra
mediante el uso de un rociador poroso con tamaño de poro de 15 µm que produce
pequeñas burbujas de gas para una distribución óptima del gas.
 A

ESQUEMA

O
X C
I
G
E
N
O
A) Módulo de selección del gas
D B) Ejemplo de conexión de la salida de gases de la consola al difusor de entrada de
I aire.
S NOTAS C)Rotámetro con una válvula antirretorno en la salida del gas que evita que las
U diferencias de presión causen reflujo a través el rotámetro.
E  El sensor polarográfico debe de estar conectado mínimo 6 horas antes de realizar
L medición

Nivel

El biorreactor de 7 litros marca Applikon utiliza sensores marca AppliSens, los cuales pueden medir
distintas propiedades, entre ellas el nivel del fluido contenido en el biorreactor. De acuerdo con
Applikon Biotechnology (2008) se sabe que el actuador para nivel es el mismo que actúa para
controlar el nivel de espuma y suministrar antiespumante para evitar derrame de sustancias
presentes dentro del reactor. De esta forma, a continuación, se muestran las características y
funcionamiento de dicho actuador.

 Nivel / Antiespumante
 Tipo: Señal Encendido/Apagado
MONITOREO  Sensibilidad: Firmware seleccionable:
- Alto: Conductividad ≥ 26 µS significa “Contacto”
- Bajo: Conductividad ≥ 200 µS significa “Contacto”
CONTROL El actuador para el controlador de nivel / antiespumante es ya sea apagado (AO = 0 %)
o encendido (AO = 100 %). En la mayoría de los casos, la situación deseada es “Sin
contacto”. Cuando el estado "Sin contacto" cambia a "Contacto", primero transcurre un
"tiempo muerto" después de que el actuador está encendido durante el intervalo de
“Tiempo de pulso”. Esta secuencia se repite hasta que el estado cambia a "No contacto”
de nuevo.
Los valores de tiempo muerto y tiempo de pulso se pueden editar usando la opción de
menú > Tiempo de control de nivel. La función del sensor de nivel (discriminación entre
“sin contacto” y “contacto”) se puede seleccionar “calibrando” el sensor de nivel.
 Intervalos del actuador de
Nivel/Antiespumante

ESQUEMA

N
I
V
E
L NOTAS Conductividad [=] μSiemens

pH
Sensor de pH dentro de la escala de 0-14.
MONITOREO
Este cuenta con un rango de precisión de ± 0.01
Se establece un valor deseado (setpoint) así como los límites superior e inferior. El
sensor manda una señal analógica a la consola, la cual analiza los datos y si es
necesario hacer una modificación al valor se agregan soluciones concentradas de ácido
CONTROL o base, de forma que el valor llegue al setpoint.
El ingreso de las soluciones es por medio de activación de bombas peristálticas que se
activan cuando se da la señal, y se apagan cuando el sensor obtiene la lectura
deseada.
PH

ESQUEMA

La señal del pH se mide de manera constante de forma que al medir un valor fuera del
NOTAS rango se pueda corregir lo más rápido posible
La calibración es rápida y sencilla.

Es importante control del pH en un bioproceso, ya que esta afecta directamente la viabilidad de la

célula, su crecimiento y reproducción, así como la transformación del sustrato. Esta variable puede
ir cambiando según la formación de subproductos o residuos durante la transformación de los
nutrientes.

Existen diferentes tipos de medidores de pH, según el fabricante (Applikon, 2008) el sensor de pH
que se usa en el reactor que con el que se cuenta en el laboratorio es del z001032551, el cual tiene
un diámetro de 12mm. Este tiene la característica que puede ser autoclavable, lo que facilita la
reducción de posibles contaminaciones en el proceso.
 Figura 18. Gráfico del controlador en la medición de pH.

Calibración de los sistemas.

Aireación / Oxígeno

De acuerdo con el manual de usuario “Sensores esterilizables de Oxígeno Disuelto” de AppliSens

(2007) se encontraron las siguientes medidas para la calibración del sensor de Oxígeno disuelto
que usa el biorreactor Applikon:

 Si la medición se realiza bajo condiciones estériles, el sistema debe ser calibrado después de
la esterilización ya que la esterilización puede alterar al sensor.
 Después del enfriamiento, el fermentador debe airearse durante tiempo suficiente para
alcanzar una presión de oxígeno constante, permitir que la señal se estabilice y la lectura del
amplificador ajustado al valor deseado (por ejemplo, 100 % saturación de aire, 20,9%
saturación de oxígeno o 9,17 miligramos O2/L agua pura a 20°C y 760 mmHg).
 Nota: En caso de sistemas esterilizables en autoclave, se debe quitar el cable del electrodo
antes de la esterilización; cubrir el electrodo conector con algodón o con papel esterilizable
(aluminio). El sensor debe ser conectado al amplificador inmediatamente después de la
esterilización para polarizarlo; es recomendado para polarizar el electrodo durante al menos
varias (6) horas antes de la calibración. Preferentemente la calibración debe tomar lugar
justo antes de la inoculación (cuanto más tiempo período de polarización, mayor será la
precisión de la medición).
 Homogeneizar el medio removiendo durante la calibración para evitar un gradiente de
difusión.
 Una calibración de "un punto" normalmente es suficiente para habilitar mediciones precisas
en todo el rango entre 0 y 100% dO2 (a 0% dO 2 el sensor polarizado sistema no genera
corriente). De todos modos, eso es una buena práctica verificar la señal medida al 0% dO2.
Retire todo el oxígeno del medio con gas N 2 puro (99,98%) y siga la lectura del sensor hasta
que está estabilizado. En caso de que la lectura final sea > 0,5% de aire saturación, el sensor
necesita mantenimiento.
 El sensor debe esterilizarse antes de la calibración para evitar errores de medición. Después
de la primera esterilización, nuevos módulos de membrana pueden mostrar una alteración de
 la pendiente de algún porcentaje de la señal de medición; después de una segunda
esterilización sólo se observará una fracción de la primera alteración.

pH

El sensor de pH tiene un diafragma fijo y reduce la influencia del medio de cultivo en la medición de
pH; la operación del electrodo se basa en el principio de que un voltaje es generado cuando dos
líquidos de diferente pH entran en contacto en lados opuestos a través de una membrana de vidrio
delgado.

Al estar en contacto con sustancias de diferentes valores de pH, para tener una lectura más exacta
de la variable es necesario calibrar constantemente el sensor. Esto se hace por medio de
soluciones con valores de pH específicos (4.0, 7.0 10.0) con los cuales podemos realizar este
proceso (Hanna, 2022). El proceso de calibración se puede hacer con uno o dos puntos,
preferentemente usando el rango más cercano al valor con el que se va a trabajar (IME, 2021).

Cuando se utiliza un solo punto para calibrar, se comprueba que la lectura del sensor sea lo más
cercana o igual a la solución que se está utilizando; en caso de que no lo sea en la consola se va a
registrar el voltaje leído como el parámetro para ese pH.
Las calibraciones de dos puntos pueden ser desde el pH 4-7 o 7-10. En este caso el proceso se
repite, pero se comparan las mediciones de voltaje desde dos puntos distintos; de forma que el
sensor pueda ajustar de mejor manera los valores y relacionarlos con la escala de pH. No se
recomienda hacer una calibración de 4-10 debido a que el rango es muy amplio y la calibración
podría ser no tan exacta como esperamos.
Al momento de hacer las mediciones para la calibración es necesario que la solución cubra
totalmente el electrodo de medición, para asegurar esto generalmente se sumerge el sensor un
poco más arriba del electrodo, tal como se muestra en la imagen. De igual forma si se va a calibrar
con dos puntos, es necesario que entre cada una de las mediciones en un recipiente aparte se
limpie el sensor con agua destilada o alguna otra solución de pH neutro.

Figura 19. Descripción gráfica de cómo hacer la medición para la calibración del sensor de pH.
Es importante que para mantener una lectura adecuada de nuestro sensor tengamos los cuidados
adecuados con el mismo, los sensores de pH necesitan que se calibren de manera constante; se
limpie el electrodo con una solución de pH neutro (puede usarse agua destilada); así como que
tenga la cantidad necesaria de electrolito. Si se mantienen estas características de forma constante
vamos a poder prolongar la vida del sensor (Hanna, 2022).
Conclusión
Se puede concluir que el sistema del ez-contoller y sensores nos ofrecen un mejor control sobre las
variables involucradas en el proceso de fermentación, principalmente temperatura, velocidad de
agitación, pH y oxígeno disuelto; gracias al circuito de lazo cerrado y el controlador PID. De esta
forma la operación es más sencilla y práctica que si se hiciera de forma manual, haciendo más
eficaz y asegurando los requerimientos de un sistema fermentativo.

Referencias

 Anaya P. M. F, Benítez B.V. H., Pacheco R. J. H., Montaño V. F. (2014) Diseño de

controladores P, PI y PID para el comportamiento dinámico de un servosistema hidráulico
basado en desarrollo experimental. EPISTEMUS
 Applikon Biotechnology. (2008) Hardware Manual. “ez-Control for Autoclavable Bioreactors
1- 20 L”.
 Bello, M., & Pino, M. T. (2000). Programadores de riego.

 AppliSens. (2017). APPLISENS STERILIZABLE DISSOLVED OXYGEN SENSORS.

VERTEX. https://archive-resources.coleparmer.com/Manual_pdfs/29207-42.pdf
 Arévalo, A. R., Llanos, A. C., & Flores, J. V. (2003). Diseño y construcción de los
instrumentos de medición para un biorreactor prototipo. Mexican Journal of Biomedical
Engineering, 24(1), 55-70.
 Doran, P. M. (2012). Bioprocess engineering principles, second edition. Waltham, Mass:
Academic Press

 Flores Morocho, D. A., & Trujillo Toledo, L. E. Diseño de un bioproceso industrial a partir de
la comparación de los efectos de dos especies de levaduras en la fermentación de vino de
borojó (Borojoa patinoi).
 HANNA (2022) Soluciones para calibración de pH. HANNA Instruments
https://hannainst.com.mx/soluciones-ph/
 IME (2021) Funcionamiento y cuidados del medidor de pH. Ingeniería y Metrología
Certificada para Calibración de Equipos de Control y Pruebas.
https://calibracionesime.com.mx/funcionamiento-y-cuidados-del-medidor-de-ph/
 Matthews, G. (2008). Fermentation Equipment Selection: Laboratory Scale Bioreactor
Design Considerations. En McNeil, B. y Harvey L. (Eds) Practical Fermentation Technology.
Wiley & Sons.

 Mettler-Toledo International Inc. (2022, 8 febrero). Sensores polarográficos de oxígeno

disuelto. Recuperado de https://www.mt.com/mx/es/home/products/Process-Analytics/DO-
CO2-ozone-sensor/dissolved-oxygen-meter/polarographic-dissolved-oxygen-sensor.html?
filter[tecnolog%C3%ADa-de-medici%C3%B3n]=Detecci%C3%B3n%20amperom
%C3%A9trica%2Fpolarogr%C3%A1fica&filter[tecnolog%C3%ADa-de-medici
%C3%B3n]=Electrodo%20Clark%20amperom%C3%A9trico
 Pérez, A., Pérez, A., Pérez, E. (2008). Introducción a los sistemas de control y modelo
matemático para sistemas de control y modelo matemático para sistemas lineales
invariantes en el tiempo. Argentina: Universidad Nacional de San Juan.
 PÉREZ, E. L. (2013). AUTOMATIZACIÓN DE UN BIORREACTOR PILOTO (Doctoral
dissertation, UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA MIXTECA).

 VERTEX (2017, 3 marzo). Sensores de oxígeno disuelto para procesos biotecnológicos.

Recuperado 24 de septiembre de 2022, de https://www.vertex.es/biotecnologia/sensores-
de-do2-de-applikon/
 WIKA. Hoja técnica, el uso de termopares. 2016.
https://www.wikapolska.pl/upload/DS_IN0023_es_es_62452.pdf