Controlul bioreactoarelor

CONTROLUL BIOREACTOARELOR

Natura este si va fi sursa de inspiratie pentru om in dezvoltarea si proiectarea de noi tehnologii. In natura se petrec procese complexe de transformare biochimica, ce evolueaza conform legilor naturale, care de multe ori sunt de neinteles pentru om.

In zilele noastre, biotehnologiile sunt asociate in special cu obtinerea pe cale industriala a alimentelor si bauturilor (, mai ales pentru ca omul aplica procedeele de obtinere a acestora din timpuri stravechi, fara sa fi cunoscut mecanismele fizico-chimice care conduc la sintetizarea alimentelor si bauturilor, atribuind aceste realizari fortei impresionante care este natura. (Nu, Fals: biotehnologia produce molecule cu aplicatii aproape in toate domeniile activitatii umane; vezi cursul dedicat aplicatiilor).

Principalul scop al biotehnologiei este obtinerea de produse sau servicii utile activitatii umane, cu ajutorul organismelor vii.

Procesul de baza in biotehnologie este "procesul biologic', dupa cum procesul de baza in tehnologia chimica este "procesul chimic'. Spatiul in care se desfasoara o reactie sau un proces chimic se numeste "reactor chimic'. In mod asemanator, spatiul in care se desfasoara un proces biologic industrial se numeste bioreactor.

In bioreactor, transformarea materiilor prime este realizata de sistemul enzimatic al microorganismelor vii, al celulelor animale si vegetale sau de enzimele izolate din acestea.

Reusita experimentului biotehnologic depinde in cea mai mare masura de conditiile optime de evolutie a celulelor de cultura din bioreactor. Este important ca celulele sa fie supuse numai unor modificari controlate ale conditiilor din mediul inconjurator, astfel incat sa se mentina parametrii optimi de crestere si formare metaboliti.

Intr-un bioreactor, aceasta tendinta a celulelor este asistata, este controlata in mod continuu. Reactorul trebuie sa asigure aprovizionarea continua a celulelor cu sursele de C, N, O, P necesare cresterii sau producerii de metaboliti, asigurand pe cat este posibil valorile optime pentru pH, temperatura, concentratia substratului, concentratiile in saruri minerale, factorii de crestere si concentratia in oxigen dizolvat.

Fenomenele care au loc in bioreactor au un caracter complex, datorita interdependentei fenomenelor de transfer cu cele biochimice. Analiza procesului trebuie sa ia in considerare, pe langa reactiile biochimice propriu-zise, si fenomenele fizice cu care acestea interactioneaza si anume: curgerea, transferul de masa si transferul de caldura, prezente in orice reactor industrial. Descrierea cantitativa a acestor fenomene furnizeaza ecuatiile cu ajutorul carora bioreactorul poate fi analizat, optimizat, dimensionat, reglat.

Pentru a micsora riscul in procesul de realizare la scara industriala a unui proces biotehnologic stabilit in laborator, este necesara construirea unei instalatii pilot care sa furnizeze informatii intermediare si foarte utile pentru proiectul industrial.

Costul dispozitivelor de monitorizare si control reprezinta de obicei o fractiune insemnata din costul total al unui bioreactor prevazut cu controlul asistat de calculator al principalilor parametri de operare.

Costurile de exploatare sunt de obicei considerabile. Pentru sterilizarea termica a instalatiei si termostatarea bioprocesului se consuma cele mai ridicate cantitati de combustibil, in timp ce consumurile de energie electrica pentru dispozitivele de monitorizare si control parametri sunt destul de scazute, la care se mai adauga consumul de energie electrica pentru actionarea motorului ce asigura functionarea si comanda celor 2-3 module de agitare folosite pentru bioreactorul industrial cu agitare mecanica.

Generalitati:

Bioprocesul din bioreactor este considerat "inima" unei biotehnologii, in acest utilaj central al unei linii tehnologice desfasurandu-se procese biochimice de transformare a unor substraturi in prezenta microorganismelor, celulelor sau enzimelor. Asimilarea bioreactorului cu o inima este sustinuta de faptul ca acesta "aspira" mediul de cultura, substratul, biocatalizatorii prin traseele tehnologice anterioare procesului biochimic, "pompind" produsii biosintetizati pe traseul de prelucrare al acestora.

Fiecare dintre celelalte etape ale unei biotehnologii (pregatirea mediului, sterilizarea, separarea si purificarea produsului util) au o importanta majora asupra performantei tehnologiei respective, insa rolul determinant revine bioreactorului, implicit conditiilor in care se realizeaza biosinteza.

Datorita particularitatilor bioproceselor, cum ar fi:                              

- vitezele reduse ale reactiilor biochimice

- concentratiile finale reduse ale produsilor utili, care impun atit prelucrarea unor volume mari de mediu, cit si etape costisitoare de separare ale acestora

- vascozitatea ridicata si comportarea reologica nenewtoniana a lichidelor prelucrate, generind consumuri ridicate de energie pentru amestecare si aerare, rentabilitatea procesului biochimic poate fi controlata, in principal, de conditiile de operare din bioreactor si de volumul acestuia.

Proiect: Fiziologia analizatorului vizual Proiect: Ereditatea - perechi identice, mostenirea unui singur factor, factorul X, gene imperfecte, incrucisarea genetica, penetranta, poligene

Multe tipuri de control sunt folosite pentru bioreactoare in bioindustrie: manual, automatic si control cu ajutorul calculatorului.

In timp ce instalatiile mai recente din bioindustrie se bazeaza mai mult pe controlul automat sau cel asistat de calculator, sunt totusi multe fabrici care utilizeaza controlul manual.

Controlul manual este cel mai simplu tip de control. In loc de semnale electrice sau pneumatice, oamenii manipuleaza elementele de control, ca de exemplu valva de racire, valva de reglare a debitului de aer si pompa de alimentare. Desi este o tehnica invechita, controlul manual este totusi important in procedura de pornire-oprire si pentru sustinerea controlului automatic clasic si cel modern asistat de calculator.

Controlul automatic clasic include un aparat analogic, un intrerupator, o succesiune de date si un sistem de reglare, toate bazandu-se pe semnale, altele decat cele furnizate de factorul uman.

Schema trebuie refacuta cu traducerea elementelor componente!!!

Sistem de control feedback.

Aproape toate sistemele de reglare folosesc semnal negativ de raspuns.

Aparatul de comanda genereaza un semnal de eroare prin stabilirea diferentei intre valoarea masurata la iesire si o valoare prestabilita (de reglare) si determina semnalul de control aplicand un algoritm precis erorii de semnal.

Apoi acest semnal de control actioneaza asupra elementului de executie (valva, pompa, etc) pentru a reduce eroarea.

Sistemele de reglare sunt definite in functie de algoritmul particular pe care-l folosesc de actionare asupra semnalului de eroare pentru a genera valoare dorita.

Un sistem de comanda este satisfacator cand schimbarile variabilelor de control sunt mici, cu stabilitate ridicata in timp.

In multe procese de fermentatie variatiile de temperatura si pH au aceste caracteristici.

Controlul asistat de calculator foloseste un calculator intr-o bucla, care comanda semnalele de masurare, generand un algoritm de control si actioneaza asupra elementului de executie cu implementarea secventei de control.

Secventa de control:

Sistemul de comanda trebuie sa faca fata modificarilor aparute pe durata desfasurarii bioprocesului, conditiilor proceselor spontane si fenomenelor de tranzitie.

In reglarea / controlul parametrilor exista multe operatii secventiale care trebuie executate la fiecare etapa.

Pentru procesul de pregatire a bioprocesului, bioreactorul trebuie mai intai curatat, umplut cu mediul de fermentatie, sterilizat, adus la conditiile optime de fermentare, inoculat cu un inocul in faza optima. Dupa realizarea bioprocesului pe o anumita durata de timp bioprocesul este stopat si este recuperat mediul de cultura din bioreactor.

Pornirea pompelor, deschiderea valvelor, adausul de mediu sau inocul in bioreactor sunt toate evenimente ce se produc in timp, impunand diferite actiuni de control.

Uneori sistemul de control include si proceduri de pornire-oprire.

Controlul secvential cuprinde toate functiile de control impuse de timp sau reactii.

De ex., in procesul de sterilizare, mediul de cultura cu substraturile necesare cresterii celulare si formarii metabolitilor de interes este incalzit la temperatura de sterilizare (de obicei 121⁰C), are loc apoi mentinerea sistemului pentru o perioada de timp specificata (de obicei 15-20 minute) urmata apoi de racirea pana la temperatura prescrisa de bioprocesare. In mod evident, valva de acces al aburului trebuie deschisa initial si un sistem de control al temperaturii trebuie sa actioneze in vederea atingerii temperaturii dorite.

Cand este atinsa temperatura adecvata sau cand are loc reactia dorita, cronometrul este setat sa mentina temperatura optima o perioada specificata.

Cand expira timpul dorit, cronometrul initializeaza procesul din etapa urmatoare.

Dupa racirea mediului de cultura pana la temperatura prescrisa pentru bioproces se initializeaza urmatoarea secventa, care cuprinde deschiderea valvei pentru inoculare.

Odata cu aparitia microprocesoarelor compacte si ieftine, dispozitivele mecanice si cronometrele folosite uzual la controlul secventei operationale, au fost inlocuite cu o varianta moderna a secventei de control ce implica sisteme logice programabile si calculatoare.

Folosind aparate sau programe, varietatea functiilor uzuale de control sunt concepute pentru controlul dispozitivelor precum valvele on-off, pompele sau agitatoarele, bazate pe apartenenta echipamentului(on-ff) sau valorilor variabilelor procesului. (nu am inteles despre ce e vorba??)

Un dispozitiv poate avea doar doua stari precum Pornit-Oprit (On-Off), Deschis-Inchis (Open-Close), Declansat-Nedeclansat (Enabled-Disabled).

Impulsurile pot fi dependente de timp sau de schimbarile de stare (temperatura, pH, presiune, nivel).

Secventierea necesita atingerea unei conditii finale inainte ca sistemul sa treaca la pasul urmator.

In secventa de control, un impuls sau o combinatie de impulsuri pot decide o faza de tranzitie.

Secventierea imbunatatita poate duce la castiguri economice importante.

Control telemetric

Instalatia este permanent controlata de agregate electrice. Eventualele defectiuni a pompelor, depasirea nivelului superior, intreruperea curentului se inregistreaza automat si sunt redate ca defectiuni. Sistemul optic de alarma montat pe circuitul de alimentare cu aer avertizeaza personalul de intretinere, iar pe display apare textul cu defectiunea diagnotizata si prin telecomanda se transmite ca SMS sau e-mail. Agregatele de control functioneaza permanent.

Comenzile electrice

Comenzile instalatiei se fac electronic prin algoritmii de control implementati, care pot fi oricand modificati in functie de cerinte. Minicomputerizarea are menirea de a comanda fazele de pornire si oprire a pompelor si compresorului, dar si de a inregistra parametrii de functionare, orele de lucru, eventualele defectiuni, etc. Aceste date pot fi oricand transferate intr-un computer care poate prelucra datele mai departe. Agregatul electric are integrat un display de pe care se poate vedea permanent starea fizica a bioreactorului.

Bioreactor de laborator, prevazut cu un sistem computerizat de monitorizare, control si inregistrare.

Sistemul de amestecare aste alcatuit dintr-un agitator dublu tip turbina si trei sicane

Controlul variabilelor:

Controlul debitului:

Controlul variatiilor de debit pentru aer sau lichid este caracterizat de timpi rapizi de raspuns (secunde) si foarte esential fara intarzieri. Majoritatea perturbatiilor rezulta in urma zgomotului de frecventa inalta, in general totusi nu de scara larga, cauzat de variatia debitului de aer, schimbarile valvei si vibratiile pompei.

Controlul presiunii:

Este relativ usor sa controlezi presiunea gazului, deoarece procesul acesta se realizeaza de la sine, exceptie cand gazul este in echilibru cu un lichid (nu am inteles???)

Controlul temperaturii:

Datorita variabilitatii echipamentului de transfer de caldura si pentru ca procesele variaza semnificant in timp, nu pot fi definite principii generale pentru controlul salturilor de temperatura. Prezenta defazajului timpului de raspuns si/sau multitudinea capacitatilor termice conduce la cresterea limitei superioare a unui aparat de control. Cel mai des sunt folosite aparatele de control de tip PID ( P-proportional , I-integral , D-derivative) pentru a oferi timp de raspuns rapid.

Controlul concentratiei oxigenului dizolvat in mediul de cultura:

Concentratia oxigenului dizolvat poate fi reglata in functie de debitul de aer, viteza agitatorului sau prin combinarea celor doua metode. La scara industriala, se mentine uneori constanta viteza agitatorului mecanic, caz in care singurul mod de control al concentratiei de oxigen il reprezinta varierea debitului de aer. In acest scop se foloseste un dispozitiv de control PI.

Ajustarea corecta a variabilelor aparatelor de comanda duce la obtinerea rezultatelor dorite si a unor performante importante ale sistemului de comanda.