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cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Mecatrónica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Construcción y Monitoreo de Variables de un Prototipo para el
Tratamiento Biológico de un Efluente con Colorante Naranja II, Mediante el Hongo Trametes Versicolor
presentada por
José Efraín Ruiz Ramírez Ing. Electromecánico por el I. T. de Zacatepec
como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica
Director de tesis: Dr. Rigoberto Longoria Ramírez
Co-Director de tesis: Dra. María del Refugio Trejo Hernández
Cuernavaca, Morelos, México. Octubre de 2010
cenidet Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Mecatrónica
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Construcción y Monitoreo de Variables de un Prototipo para el Tratamiento
Biológico de un Efluente con Colorante Naranja II, Mediante el Hongo Trametes Versicolor
presentada por
José Efraín Ruiz Ramírez Ing. Electromecánico por el I. T. de Zacatepec
como requisito para la obtención del grado de:
Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica
Director de tesis: Dr. Rigoberto Longoria Ramírez
Co-Director de tesis:
Dra. María del Refugio Trejo Hernández
Jurado: Dr. Enrique Quintero Mármol – Presidente Dra. Sara Lilia Moya Acosta – Secretario
Dra. María del Refugio Trejo Hernández – Vocal Dr. Rigoberto Longoria Ramírez – Vocal Suplente
Cuernavaca, Morelos, México. Octubre de 2010
Agradecimientos
A Dios por permitirme llegar hasta este momento tan importante de mi vida y lograr otra meta
más en mi carrera.
A mis padres por su apoyo, confianza y amor. Gracias por ayudarme a cumplir mis objetivos
como persona y estudiante. Por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado
apoyándome. A mi hermana Mayra por sus consejos y apoyo. A mi sobrino Mateo que vino a
dar mucha alegría a mi hogar y con una sonrisa ilumina todo.
A mi novia Alejandra por su apoyo, compresión y amor que me permite sentir poder lograr lo
que me proponga. Gracias por escucharme y por tus consejos. Gracias por ser parte de mi
vida; eres lo mejor que me ha pasado.
A la Dra. Trejo por su importante aporte y participación activa en el desarrollo de esta tesis,
por su orientación y atención a mis consultas. Debo agradecer también su amabilidad y
disponibilidad y por sus substanciales sugerencias en la redacción de esta tesis.
Al Dr. Longoria por haberme dado la oportunidad de participar en este trabajo. Por sus
consejos brindados durante el desarrollo de la tesis.
Al Dr. Quintero por sus consejos y apoyo otorgado cuando se presentaron problemas con el
desarrollo de la tesis.
Gracias a mis amigos de la prepa que siempre me han prestado un gran apoyo moral y
humano. Mil gracias por todos los momentos que hemos pasado juntos y por que han estado
conmigo siempre. A Manuel, Hilario, Cinda e Iván que con ellos compartí conocimiento y
momentos muy agradables durante la maestría.
Al Téc. M.B. Académico Daniel Guzmán por su apoyo y opiniones para la realización de este
trabajo. A mi compañera y amiga Aurora Riegas Villalobos por su apoyo para la realización
de los experimentos biológicos.
i
Contenido
Índice de figuras ..................................................................................................................................... v
Índice de tablas ..................................................................................................................................... vii
Nomenclatura ....................................................................................................................................... viii
Abreviaturas ........................................................................................................................................... ix
Resumen ................................................................................................................................................. xi
Abstract ................................................................................................................................................. xiii
CAPÍTULO 1 .......................................................................................................................................... 1
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 1
1.1 Introducción ..................................................................................................................................... 2
1.2 Planteamiento del problema ......................................................................................................... 3
1.3 Justificación ..................................................................................................................................... 4
1.4 Hipótesis ........................................................................................................................................... 4
1.5 Objetivo general .............................................................................................................................. 5
1.5.1 Objetivos particulares ............................................................................................................. 5
1.6 Metas ................................................................................................................................................ 5
1.7 Alcances ........................................................................................................................................... 6
CAPÍTULO 2 .......................................................................................................................................... 7
MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................ 7
2.1 Fuentes de compuestos tóxicos ................................................................................................... 8
2.2 Colorantes ........................................................................................................................................ 8
2.3 Hongo Trametes Versicolor........................................................................................................... 9
2.4 Hongo Pleurotus ostreatus ............................................................................................................ 9
2.5 Biorreactores ................................................................................................................................. 10
2.6 Tipos de biorreactores ................................................................................................................. 10
2.6.1 Biorreactores agitados .......................................................................................................... 10
2.6.2 Biorreactores de columna .................................................................................................... 11
2.6.3 Biorreactores de circulación................................................................................................. 11
ii
2.6.4 Biorreactor airlift ..................................................................................................................... 11
2.7 Escalamiento de biorreactores ................................................................................................... 15
2.7.1 Criterios de escalamiento ..................................................................................................... 16
2.8 Variables a medir y monitorear en el biorreactor ..................................................................... 17
2.8.1 El pH ........................................................................................................................................ 18
2.8.1.1 Electrodo de vidrio ......................................................................................................... 18
2.8.1.2 Funcionamiento del electrodo de pH .......................................................................... 19
2.8.2 Temperatura ........................................................................................................................... 20
2.8.2.1 Termopares ..................................................................................................................... 20
2.8.3 Absorbancia ............................................................................................................................ 21
2.8.3.1 Espectrofotómetro .......................................................................................................... 22
2.8.3.2 Componentes de un espectrofotómetro ..................................................................... 23
2.8.3.3 Utilidad del espectrofotómetro ..................................................................................... 23
2.8.3.4 Fotorresistencia .............................................................................................................. 23
2.8.3.5 LED ................................................................................................................................... 24
CAPÍTULO 3 ........................................................................................................................................ 26
DEGRADACIÓN BIOLÓGICA DEL COLORANTE NARANJA II ................................................ 26
3.1 Preparación de inóculo en medio sólido ................................................................................... 27
3.2 Preparación del medio líquido para la inoculación del hongo ............................................... 27
3.3 Inoculación ..................................................................................................................................... 28
3.4 Inmovilización del hongo ............................................................................................................. 28
3.5 Preparación de buffer pH = 6 ...................................................................................................... 30
3.6 Colorante Naranja II ..................................................................................................................... 31
3.7 Biodegradación del colorante Naranja II en matraces ............................................................ 32
3.8 Biodegradación del colorante Naranja II en un biorreactor .................................................... 34
3.9 Conclusiones experimentación con el hongo ........................................................................... 34
CAPÍTULO 4 ........................................................................................................................................ 35
DISEÑO FÍSICO .................................................................................................................................. 35
4.1 Dimensionamiento y construcción del biorreactor ................................................................... 36
4.1.1 Soporte para el biorreactor .................................................................................................. 40
iii
4.2 Módulo electrónico ........................................................................................................................ 41
4.3 Medidor de absorbancia .............................................................................................................. 43
4.3.1 Sensor de absorbancia ......................................................................................................... 43
4.3.2 Rueda de LEDS ..................................................................................................................... 43
4.3.3 Bomba de recirculación ........................................................................................................ 45
4.3.4 Integración de los elementos del medidor de absorbancia ............................................ 45
4.4 Medidor de temperatura............................................................................................................... 47
4.5 Medidor de pH ............................................................................................................................... 48
4.6 Programación microcontrolador ................................................................................................. 49
4.7 Programación interfaz gráfica ..................................................................................................... 50
4.7.1 Monitoreo de sensores ......................................................................................................... 50
4.7.2 Configuración del puerto serie ............................................................................................. 50
4.7.3 Almacenamiento de datos .................................................................................................... 51
4.7.4 Intervalo de almacenamiento de datos .............................................................................. 51
4.7.5 Visualización .......................................................................................................................... 52
4.7.6 Calibración de sensores ....................................................................................................... 52
4.7.7 Longitud de onda ................................................................................................................... 52
4.7.8 Encendido bomba .................................................................................................................. 52
4.7.9 Herramientas adicionales ..................................................................................................... 53
4.8 Posición longitud de onda ........................................................................................................... 53
4.9 Accionamiento de válvulas .......................................................................................................... 54
CAPÍTULO 5 ........................................................................................................................................ 55
CALIBRACIÓN DE SENSORES ....................................................................................................... 55
5.1 Sensor de temperatura ................................................................................................................ 56
5.2 Sensor de pH ................................................................................................................................. 58
5.3 Sensor de absorbancia ................................................................................................................ 60
CAPÍTULO 6 ........................................................................................................................................ 63
PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................................................. 63
6.1 Prueba mecánica del biorreactor (decoloración) ..................................................................... 64
6.2 Prueba biorreactor y sensores .................................................................................................... 65
iv
6.3 Prueba biorreactor, durante el cultivo y monitoreo de sensores ........................................... 67
CAPÍTULO 7 ........................................................................................................................................ 72
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................. 72
7.1 Conclusiones ................................................................................................................................. 73
7.2 Recomendaciones ........................................................................................................................ 75
Referencias .......................................................................................................................................... 76
Anexo A Diseño del Biorreactor ..................................................................................................... 78
Anexo B Diseño tarjeta electrónica ............................................................................................... 86
Anexo C Calibración sensor de absorbancia............................................................................... 93
Anexo D Programa Microcontrolador.......................................................................................... 101
Anexo E Archivo con datos de los sensores ............................................................................. 109
v
Índice de figuras
Figura 2.1: Trametes Versicolor ......................................................................................................................... 9
Figura 2.2: Pleurotus ostreatus ........................................................................................................................... 9
Figura 2.3: Reactor airlift ................................................................................................................................... 13
Figura 2.4: Electrodo de vidrio .......................................................................................................................... 18
Figura 2.5: Representación de un termopar ................................................................................................... 20
Figura 2.6: Demostración de la absorbancia .................................................................................................. 21
Figura 2.7: Fotorresistencia ............................................................................................................................... 24
Figura 2.8: LEDs ................................................................................................................................................. 25
Figura 3.1: Crecimiento del hongo, en medio solido ..................................................................................... 27
Figura 3.2: Fragmentos de micelio para ser molido ...................................................................................... 28
Figura 3.3: Solución de alginato y biomasa .................................................................................................... 29
Figura 3.4: Inmovilización del hongo ............................................................................................................... 29
Figura 3.5: Caída de la biomasa en el carbonato de calcio ......................................................................... 30
Figura 3.6: Estructura química del colorante naranja II. ............................................................................... 31
Figura 3.7: Espectro de la desaparicion del colorante naranja II con T.v libre. ........................................ 32
Figura 3.8: Evolución de la absorbancia con el hongo T.v y el P.o libre e inmovilizado. ........................ 33
Figura 3.9: Evolución de la absorbancia con el hongo T.v y P.o libre ........................................................ 33
Figura 3.10: Funcionamiento del birreactor .................................................................................................... 34
Figura 4.1: Biorreactor ....................................................................................................................................... 39
Figura 4.2: Difusor de aire interno ……………………………………………………………………………39
Figura 4.3: Difusor de aire externo……………………………………………………………………………40
Figura 4.4: Tamaño de burbuja biorreactor .................................................................................................... 40
Figura 4.5: Estructura para el biorreactor ....................................................................................................... 41
Figura 4.6: Tarjeta electrónica del biorreactor ................................................................................................ 42
Figura 4.7: Módulo electrónico ......................................................................................................................... 42
Figura 4.8: Alineación del led con la fotorresistencia .................................................................................... 44
Figura 4.9: bomba de recirculación .................................................................................................................. 45
Figura 4.10: Caja sensor de absorbancia …………………………………………………………………...46
Figura 4.11: Alineación del tubo………………………………………………………………………………46
Figura 4.12: Circulación de flujo en el medidor de absorbancia .................................................................. 47
Figura 4.13: Electrodo de pH ............................................................................................................................ 49
Figura 4.14: Etiqueta monitoreo de sensores ................................................................................................. 53
Figura 4.15: Etiqueta Posición longitud de onda ........................................................................................... 54
Figura 4.16: Accionamiento de válvula ............................................................................................................ 54
Figura 5.1: Respuesta del termopar ................................................................................................................ 56
Figura 5.2: Regresión lineal termopar ............................................................................................................. 57
Figura 5.3: Calibración de pH ........................................................................................................................... 58
Figura 5.4: Regresión lineal del pH .................................................................................................................. 59
Figura 5.5: Grafica medidor de absorbancia. ................................................................................................. 61
Figura 5.6: Gráfica del espectrofotómetro. ..................................................................................................... 62
vi
Figura 6.1: Degradación biológica del colorante naranja II .......................................................................... 64
Figura 6.2: Efecto de la concentración del colorante naranja II sobre la temperatura. ............................ 66
Figura 6.4: Efecto de la concentración del colorante naranja II sobre la absorbancia............................. 67
Figura 6.5: Evolución de la temperatura en el proceso de degradación del colorante naranja II ........... 68
Figura 6.6: Evolución del pH en el proceso de degradación del colorante naranja II .............................. 69
Figura 6.7: Evolución de la absorbancia en el proceso de degradación del colorante naranja II .......... 69
Figura 6.8: a) Reactor al tiempo 0 y b) reactor después de 4 horas ........................................................... 70
Figura 6.9: a) Colorante termino de la prueba b) Colorante al inicio de la prueba. .................................. 70
Figura 6.10: Biomasa ......................................................................................................................................... 71
vii
Índice de tablas
Tabla 2.1: Termopares de uso común. ............................................................................................................ 21
Tabla 2.2: Compuestos empleados en la construcción de LED ................................................................... 24
Tabla 4.1: Longitudes de onda de LEDs .......................................................................................................... 44
Tabla 4.1: Calibración termopar más AD594 .................................................................................................. 58
Tabla 5.2: Longitud de onda de colorantes ..................................................................................................... 60
viii
Nomenclatura
A Absorbancia
Ag Plata
AgCl Cloruro de plata
C Concentración de sustancia absorbente en el medio
ºC Grados centígrados
cm centímetros
Dd Diámetro del tubo externo
DI Diamtro interno
Dr Diámetro del tubo interno
EH Potencial a través de la membrana de vidrio
Eref Potencial generado por el electrodo de referencia
F Constante de Faraday
Fem Fuerza electromotriz
g Gramos
g/l Gramos sobre litro
gM Gramos mol
HT Altura del cilindro exterior
H Altura total
HL Altura del líquido
I0 Intensidad de la luz incidente
I1 Intensidad de la luz una vez ha atravesado el medio
k Coeficiente de extinción
KLa Coeficiente de transferencia de oxígeno
l Litros
L Distancia que la luz atraviesa por el cuerpo
M Molar
ml mililitro
mM milimolar
MΩ Mega ohm
N Velocidad de agitación
ix
Nión Carga del ion
nm Nanómetros
NaH2PO4 Fosfato diácido de sodio
Na2HPO4 Fosfato ácido de sodio
Pg/V Potencia por unidad de volumen
ppm Partes por millón
PSI Libra fuerza por pulgada cuadrada
Pg/V Potencia por unidad de volumen
R Constante de los gases
rpm Revoluciones por minuto
T Temperatura grados Kelvin
V Volumen
Vop Volumen de operación
Vref Voltaje de referencia
Vt Volumen de tapas
VT Volumen total
Vc Volumen del cilindro
α Coeficiente de absorción o la absorbancia molar de la sustancia
λ Longitud de onda del haz de luz
% Por ciento
µV Micro volts
ρ Densidad del fluido
µ Viscosidad dinámica del fluido
Abreviaturas
ADC Convertidor Analógico Digital
BITS Digito Binario
BNC Del ingles Bayonet Neill-Concelman
CEIB Centro de Investigación en Biotecnología
LDR Resistor Dependiente de la Luz
LED Diodo Emisor de Luz
x
PCB Tarjeta de Circuitos Impresos
PDA Agar Papa Dextrosa
PIC Controlador de Interfaz Periférico
PN Positivo Negativo
P.o. Pleurotus Ostreatus
PVC Policloruro de Vinilo
T.v. Trametes versicolor
xi
Resumen
En el presente trabajo de investigación se diseñó y construyó un biorreactor airlift para tratar
agua contaminada con el colorante sintético Naranja II mediante en hongo Trametes
versicolor. Este hongo participa en la descomposición blanca de la madera debido a que es
capaz de degradar la lignina mediante la generación de un complejo enzimático extracelular,
conocido como sistema ligninolítico. Este complejo enzimático ha sido utilizado para la
biodegradación de una gran variedad de compuestos aromáticos en diversos sistemas de
operación, biorreactores discontinuos y continuos.
El biorreactor es un recipiente cerrado donde se llevan a cabo los procesos de
biodegradación de los compuestos tóxicos contaminantes de agua, que puede operar en
continuo y discontinuo. Para su operación se ha equipado con entradas y salidas de flujo de
materia, así como sistemas de monitoreo de variables fisicoquímicas que permiten el
seguimiento de los procesos biológicos. La complejidad de los sistemas de monitoreo
depende de los procesos biológicos que se pretenden realizar. En general se utilizan
sistemas de monitoreo y almacenamiento de algunas variables importantes como son la
temperatura, pH. No obstante, se requieren de otros parámetros de monitoreo que no son
generales y para ello se deben realizar diseños específicos como la determinación de la
absorbancia. Este parámetro aún no sido implementado en los biorreactores comerciales,
por lo que fue necesario diseñar e implementarlo en un biorreactor de tipo airlift, junto con el
monitoreo de la temperatura y del pH. Debido que durante el proceso de biodegradación del
colorante se presenta una disminución que implica un cambio en la absorbancia. Este
parámetro nos permite cuantificar la concentración del colorante presente durante el proceso
de degradación en continuo.
Para llevar a cabo el monitoreo de las variables, se requirió de conocimiento de los principios
teóricos tanto fisicoquímicos como biológicos de las diferentes variables de medición, así
como su operación específica: Por otra parte, así como conocimientos de mecánica,
xii
electrónica y computación para la implementación de los circuitos electrónicos involucrados
en los dispositivos de medición.
El Hardware para el monitoreo de las variables antes mencionadas es una tarjeta de
adquisición de datos donde el elemento principal es el microcontrolador PIC16F877A, donde
es recibida la señal analógica de los sensores después de su acondicionamiento y es
convertida a señal digital, para después poder ser leída por la computadora y
acondicionadores de señales para los sensores de temperatura, pH y absorbancia.
Por otra parte el software para el monitoreo y manejo del usuario, está programado en la
plataforma LabView 8.2.
xiii
Abstract
In the present research was designed and built an airlift bioreactor to treat water
contaminated with the synthetic dye Orange II by in fungus Trametes versicolor. This fungus
is involved in the decomposition of the wood white because it is able to degrade lignin by
generating an extracellular enzyme complex, known as ligninolytic system. This enzyme
complex has been used for the biodegradation of a variety of aromatic compounds in various
operating systems, batch and continuous bioreactors.
The bioreactor is a closed vessel which carried out the process of biodegradation of toxic
pollutants from water, which can operate in continuous or discontinuous. For its operation is
equipped with inputs and outputs flow field as well as monitoring systems physicochemical
variables that allow tracking of biological processes. The complexity of monitoring systems
depends on biological processes that have been announced. In general, monitoring systems
are used and storage of important variables such as temperature, pH. However, other
parameters require monitoring that are not general and it should make specific designs such
as the determination of the absorbance. This parameter has not yet been implemented in
commercial bioreactors, so it was necessary to design and implement a type airlift bioreactor,
together with monitoring of temperature and pH. Given that during the process of
biodegradation of the dye is a decrease implies a change in absorbance. This parameter
allows us to quantify the concentration of dye present in the continuous process of
degradation.
To carry out the monitoring of variables, it required knowledge of the theoretical principles
physicochemical and biological variables of different measurement and its specific operation:
On the other hand, as well as knowledge of mechanics, electronics and computers for
implementation of the electronic circuits involved in measurement devices.
The hardware for the monitoring of the aforementioned variables is a data acquisition board
where the main element is the PIC16F877A microcontroller, where the analog signal is
received from the sensors after preparation and is converted to digital, and then can be read
by the computer and signal conditioners for temperature sensors, pH and absorbance.
xiv
Moreover, the software for monitoring and management of the user, the platform is
programmed in LabView 8.2.
Capítulo 1 Introducción
2
1.1 Introducción
Un problema grave en la actualidad es la contaminación de las aguas, que puede proceder
de fuentes naturales o de actividades humanas. En la actualidad la más importante, sin
duda, es la provocada por el hombre.
La contaminación se debe a que se han descargado al ambiente compuestos xenobióticos
(que son sintetizados por el hombre) y éstos han causado un desequilibrio ambiental. Entre
ellos se encuentran los colorantes utilizados en industrias para teñir fibras textiles, plásticos,
pieles, cosméticos y alimentos. Se estima que alrededor del 10% de los colorantes aplicados
durante los procesos de teñido no se absorben en las fibras de las telas y son desechados
en los sistemas de tratamiento de aguas residuales o al medio ambiente [1].
Este tipo de colorantes son recalcitrantes a la degradación microbiana, son tóxicos ya que
algunos presentan alta solubilidad y evitan la transmisión de luz en el agua, afectando a la
flora y fauna acuática. Una de las opciones más atractivas es el utilizar hongos de
podredumbre blanca para tratar los efluentes industriales textiles, ya que son económicos,
factibles y eficientes para estos fines.
La finalidad de este trabajo de tesis fue diseñar y construir un biorreactor airlift, en donde se
pudiera llevar a cabo el monitoreo de las variables más importantes del proceso de remoción
de color: temperatura, pH y absorbancia. Esta última variable monitorea en forma continua el
grado de colorante existente en el agua dentro del biorreactor, sin tener que sacar muestra
del fluido con colorante cada determinado tiempo y no tener que utilizar otro equipo
(espectrofotómetro) para medir esta variable.
En el primer capítulo de este documento se describe el fundamento teórico necesario para el
desarrollo del trabajo de tesis.
En el capítulo 2 se muestran resultados de los primeros experimentos realizados con el
hongo Trametes versicolor y Pleurotus ostreatus en matraces y en el reactor airlift con
capacidad de 300 mililitros; además de los pasos realizados para llevar a cabo la
inmovilización del hongo con alginato.
En el capítulo 3 se describen los cálculos, construcción del biorreactor y elementos que lo
conforman, así como el diseño y construcción del módulo electrónico, conformado por una
tarjeta de adquisición de datos compuesta principalmente por el microcontrolador
Capítulo 1 Introducción
3
PIC16F877A, y acondicionadores de señales para los sensores de temperatura, pH y
absorbancia.
En el capítulo 4 se presenta el método de calibración de los sensores de pH, temperatura y
absorbancia.
En el capítulo 5 se muestran los diagramas de flujo de la programación realizada en el
microcontrolador PIC16F877A para la adquisición de datos de los sensores. También se
muestra la interfaz gráfica realizada en LabView 8.2, y se describen las partes que la
conforman.
En el capítulo 6 se presentan los resultados obtenidos en el biorreactor, con el monitoreo de
variables.
Para terminar, en el capítulo 7 se muestran las conclusiones a las que se llegó después de
terminado el trabajo de tesis y las recomendaciones para trabajos futuros en el biorreactor.
1.2 Planteamiento del problema
Se han propuesto diferentes tipos de procesos de tratamiento para llevar a cabo la
decoloración de las aguas residuales de la industria textil. Estos tratamientos pueden ser de
tipo fisicoquímico, y entre éstos se tienen los procesos de oxidación avanzada (clorinación,
blanqueado, ozonización), electrólisis, coagulación, adsorción, intercambio iónico, filtración
por membranas, etc. Actualmente, el tratamiento de las aguas residuales de la industria
textil, se ha limitado a la utilización de procesos por membrana para la remoción de colorante
y su recuperación; para poder reutilizar el agua en su proceso. Esta tecnología es muy
eficiente pero, su aplicación a nivel industrial, en donde se involucran grandes volúmenes de
agua, lo hace muy costoso. Es por esto que existe un mayor interés por el uso de otras
técnicas para tratar aguas residuales como son los tratamientos biológicos, o una
combinación de ambos dependiendo del tipo de efluente a tratar [1].
El problema que se pretende abordar en este trabajo, consiste por una parte, en
experimentar con la capacidad de degradación de colorante del hongo Trametes versicolor, y
del Pleurotus ostreatus en matraces y con concentraciones de colorante naranja II a 25 ppm,
también de una prueba en biorreactor airlift de 300 ml y por otra, en diseñar y construir un
biorreactor airlift de 3000 ml automatizado, para monitorear y almacenar las variables
involucradas en el proceso de degradación de colorante.
Capítulo 1 Introducción
4
1.3 Justificación
Entre los compuestos más importantes y que se descargan al medio ambiente están los de
tipo azo. La relevancia de estos compuestos es que son tóxicos para los organismos vivos y
aun así son ampliamente utilizados.
Es por ello que existe el interés de implementar procesos que permitan la eliminación de este
tipo de compuestos de los efluentes.
Si bien existen estudios relacionados con tratamientos biológicos, la mayoría de ellos son
sistemas bacterianos que no han resultado ser satisfactorios a la hora de realizar una
biodegradación de estos compuestos coloreados. Sin embargo se ha investigado desde
hace algunos años la potencialidad oxidativa de otro tipo de microorganismos, como los
denominados hongos de podredumbre blanca, cuya principal característica es la
biodegradación de lignina mediante la generación de un complejo enzimático extracelular,
conocido como sistema ligninolítico.
Las ventajas de este proceso biológico de tratamiento de aguas son:
Su bajo costo con referencia a otros métodos de tratamiento.
Se puede logra una mejor decoloración del agua.
Hongo de origen mexicano.
Las desventajas de este proceso son:
Mayor tiempo para la remoción de color.
Se necesitan cantidades grandes de biomasa, para volúmenes grandes.
1.4 Hipótesis
El uso de hongos del tipo de podredumbre blanca es eficiente para degradar diversos tipos
de colorantes que se encuentren en aguas residuales de origen industrial y conducen a la
reducción de su concentración y de su toxicidad en el medio ambiente.
Capítulo 1 Introducción
5
Es factible realizar la automatización del reactor para facilitar el proceso de decoloración de
las aguas residuales de origen textil, manteniendo las condiciones óptimas para el desarrollo
y vida de los hongos.
1.5 Objetivo general
Construir un prototipo a nivel laboratorio para el tratamiento biológico de agua residual con
colorantes utilizados en la industria textil.
1.5.1 Objetivos particulares
Establecer las características óptimas de los materiales usados para la construcción
del prototipo.
Medir y monitorear las variables más importantes que intervienen en el proceso.
Diseñar e implementar un sistema de adquisición de datos de las variables del
proceso.
Diseñar y construir un prototipo para el tratamiento biológico.
Realizar pruebas de funcionamiento del prototipo.
1.6 Metas
Lograr un porcentaje de decoloración (medido a través de la absorbancia) entre 40%
y 80% dependiendo del tipo de colorantes en el tratamiento de agua residual de
origen textil.
Tener un reactor con capacidad para 3 litros de agua.
Mantener un pH alrededor de 6.0.
Tener errores pequeños alrededor de +-1% en el monitoreo y control de variables
Capítulo 1 Introducción
6
1.7 Alcances
El prototipo diseñado y construido sólo tendrá capacidad para flujos a nivel laboratorio y
debe ser capaz de reducir el color del agua de origen residual textil.
El prototipo se evaluará con colorantes que han sido probados anteriormente con los hongos
y su degradación a través de ellos, y por lo tanto existe un registro de datos.
El prototipo final debe ser capaz de monitorear las variables involucradas en el proceso.
Capítulo 2 Marco teórico
8
2.1 Fuentes de compuestos tóxicos
Los principales componentes del agua residual son las impurezas naturales que se
encuentran en las fibras naturales y los compuestos químicos agregados durante los
procesos empleados para el tratamiento de fibra, hebras o tejidos. Las plantas de
procesamiento textil utilizan una amplia variedad de tintes y otros compuestos químicos,
incluidos los ácidos, bases, sales agentes humedecedores, tintes y otros acabados
auxiliares. Muchos de éstos no permanecen en el producto textil terminado sino que se
desechan después de un uso específico. El efluente combinado de una planta textil, por
tanto, puede contener cualquiera de estos compuestos o todos ellos [1].
Muchos de estos agentes químicos empleados en la industria textil son considerados tóxicos
y peligrosos. La descarga de estas substancias en el medio ambiente puede causar serios
perjuicios a la salud y al bienestar de una comunidad expuesta o al ecosistema afectado.
Estos materiales pueden crear serios peligros para la salud y enfermedades de naturaleza
crónica. Las aguas superficiales y subterráneas, los suelos y el aire pueden contaminarse
todos con substancias peligrosas y tóxicas [1].
2.2 Colorantes
Los colorantes, pocas veces son considerados una forma de contaminación a pesar de los
daños que provocan, Debido a su estructura química, los colorantes absorben luz en el
espectro visible [2].
Durante el tratamiento de un residuo coloreado se debe prestar atención a la reducción o
eliminación del color, contribuyendo de esta forma a reducir el impacto sobre los
ecosistemas donde son vertidos [2].
Existen diferentes tipos de colorantes, y entre el 60% y 70% de los colorantes aplicados en la
industria textil son compuestos de tipo azo, los cuales se caracterizan por la presencia en su
estructura de uno o más grupos azo - N = N –[2].
Capítulo 2 Marco teórico
9
2.3 Hongo Trametes Versicolor
Hongo que desarrolla cuerpos fructíferos o setas (basidiomas) con sombreros imbricados, de
3 a 6 cm., delgados, de borde ondulado, que carecen de pie y se aplanan prontamente. En la
figura 2.1 se muestra ejemplo del hongo Trametes en su estado natural [3].
Figura 2.1: Trametes Versicolor
2.4 Hongo Pleurotus ostreatus
El Pleurotus es un hongo comestible gastronómicamente de primerísima calidad. Su color es
blanco o castaño, aunque hay variedades azuladas y rosadas. Su carne es compacta en el
sombrero y fibrosa y blanca en el pie con sabor y olor agradable.
Esta especie crece en ambientes naturales sobre troncos de árboles caídos y otras plantas
leñosas en descomposición. Es un hongo semianaeróbico que soporta un 32 % de CO2 y fija
el nitrógeno atmosférico (ver figura 2.2) [22].
Figura 2.2: Pleurotus ostreatus
Capítulo 2 Marco teórico
10
2.5 Biorreactores
Un biorreactor o fermentador se define como “aquel dispositivo que proporciona un medio
ambiente controlado que permite el crecimiento eficaz de las células y la formación de un
producto”. El medio ambiente adecuado que proporciona un biorreactor, tiene que tener
niveles óptimos de temperatura, pH, sustrato, sales, y oxígeno, para así convertir las
materias primas en productos específicos de interés [4].
2.6 Tipos de biorreactores
Los biorreactores pueden clasificarse de la siguiente forma:
Agitado
Columna
Circulación
Propelas
Airlift
Jet
2.6.1 Biorreactores agitados
Este tipo de biorreactores es muy empleado, en todas las escalas de producción. Consiste
de un cuerpo cilíndrico con tapas elipsoidales, semiesféricas. Generalmente su relación
altura/diámetro es menor a 3 y más comúnmente menor a 2. Cuentan con un motor al que se
acopla la flecha de transmisión que contiene a su vez los impulsores que agitarán el líquido.
Dependiendo del tamaño del reactor, el motor puede colocarse en la tapa superior o en la
inferior, pero invariablemente se requiere de sellos mecánicos para garantizar el trabajo
aséptico. Generalmente la “aireación” se realiza a través de tubos perforados, efectuándose
la dispersión del aire en las zonas cercanas a los impulsores [5].
Capítulo 2 Marco teórico
11
2.6.2 Biorreactores de columna
Este tipo de biorreactores carece de sistema de transmisión mecánica para mezclar el caldo.
El mezclado se realiza por la inyección de aire en el líquido desde el fondo del recipiente, al
dispersarse el aire en burbujas y al ascender causan la turbulencia del líquido. Generalmente
la relación altura/diámetro es mayor a 3. Si las columnas son grandes se pueden emplear
platos perforados colocados en posiciones intermedias para dispersar las burbujas de gas.
Al carecer de partes móviles tanto la construcción, operación y mantenimiento de este tipo
de biorreactores son más económicos que cualquier otro tipo [5].
2.6.3 Biorreactores de circulación
La denominación de este tipo de biorreactores se debe al patrón de circulación definido del
líquido en el biorreactor. Se clasifican en dos grandes grupos: de circulación externa o
interna. Externa si el liquido es inducido a circular por un lazo lateral conectado al cuerpo
principal del biorreactor en su parte inferior y superior, mientras que es interna si el líquido
circula en forma definida sin salir del cuerpo principal del reactor. Los primeros solo se han
empleado a nivel experimental, mientras que los segundos se han llegado a utilizar a nivel
industrial, generalmente en el tratamiento de aguas residuales alcanzando volúmenes de
hasta 13,600 m3 [5].
2.6.4 Biorreactor airlift
El biorreactor tipo airlift también es un equipo agitado neumáticamente y se caracteriza
porque el suministro de energía para mantener homogeneidad en su interior tiene lugar
mediante la expansión isotérmica del gas introducido. La alimentación de gas permite el
suministro de oxígeno para las operaciones que así lo requieran, y además se mantienen
patrones de flujo internos aproximadamente bien definidos. Los biorreactores Airlift tienen
una gran cantidad de aplicaciones potenciales tanto en procesos químicos y biológicos. En
los reactores Airlift, la fluidización de sólidos no es una consecuencia directa del burbujeo del
gas sino es, más bien, debida a la circulación del líquido dentro del reactor. Debido a lo
anterior, éstos equipos ofrecen la posibilidad de una fluidización de sólidos muy simple, de
Capítulo 2 Marco teórico
12
alta eficiencia y permiten establecer ambientes internos con esfuerzos de corte
aproximadamente constantes a lo largo del biorreactor, debido a que la distribución de la
energía suministrada para agitación y mezclado se realiza por expansión del gas inyectado y
no se introduce mediante energía cinética de un agitador. Por lo tanto se evitan cambios
morfológicos y metabólicos en las células de cultivo. Entre las configuraciones geométricas
más usadas en biotransformaciones, existen las de circulación interna y las de circulación
externa [6].
Reactores airlift de circulación interna: El cuerpo del reactor se divide en dos zonas, por
medio de un tubo concéntrico o bien por medio de una partición plana colocada en forma
vertical. En éstos reactores solamente una de las regiones se mantiene aireada y la otra
funciona exclusivamente como recirculación [6].
Reactores airlift con circulación externa: Consisten de dos columnas interconectadas en
donde la columna de diámetro mayor es la que se mantiene aireada y los líquidos se
recirculan por la columna más pequeña [6].
Los reactores airlift están comprendidos en cuatro zonas distintas, cada una de estas tiene
su propio patrón de flujo, el cual divide al reactor en dos regiones de flujo: flujo ascendente y
flujo descendente.
Las zonas o canales permiten una recirculación en macro escala del líquido alrededor del
circuito formado.
La primera zona en la que el gas es aspersado se conoce como la zona de ascenso, la
dispersión de gas en el líquido se da generalmente en dos fases en corriente paralela. Esta
sección, tiene la retención de gas más alta en el reactor y es en la que ocurre la mayor parte
de la transferencia de oxígeno.
El líquido que ingresa al domo de la columna entra en una zona de liberación de oxígeno
(zona II) que es un separador gas-líquido en el que algo o la mayoría del oxígeno dispersado
es eliminado.
El líquido libre de gas fluye entonces hacia la zona de descenso (III) y viaja hacia el fondo de
la columna (zona IV), en él cual completa el ciclo y reingresa a la zona de ascenso.
Capítulo 2 Marco teórico
13
Aunque el biorreactor Airlift presenta algunas de las características de las columnas de
burbujeo convencionales, la circulación del fluido en escala industrial lo diferencía de los
segundos. Esta circulación es un efecto causado por la retención fraccional de oxígeno en la
zona I y la zona III. Así mismo, esto crea una diferencia de presión hidrostática entre el fondo
de la zona I y el fondo de la zona III, que actúa como fuerza impulsora para el movimiento
del fluido (ver figura 2.3) [6].
Figura 2.3: Reactor airlift
Las ventajas principales de los biorreactores airlift con respecto a las columnas de burbujas,
son: mayores capacidades de transferencia de masa, mayores velocidades superficiales de
líquido y gas, y los patrones de flujo bien definidos que se obtienen en ellos, su construcción
es simple debido a que no tienen partes mecánicas móviles para llevar a cabo la agitación.
Otras de las ventajas que implica el uso de estos reactores son: existe un riesgo de
contaminación muy bajo debido a que se tiene un sellado hermético, y su orientación vertical
facilita su limpieza y esterilización, además de ser un reactor en el que se abaten los costos
por suministro de energía, ya que el aire cumple con las funciones de aireación y agitación.
En procesos biológicos, la principal ventaja de los reactores airlift sobre las columnas de
burbujeo y los tanques agitados se debe a que se produce un menor daño celular,
exhibiendo mayores velocidades de transferencias de masa y menores costos energéticos
[6].
Capítulo 2 Marco teórico
14
Desventajas: En la actualidad, los reactores airlift son menos utilizados que los tanques
agitados debido a que son menos flexibles a los requerimientos de cambios de proceso, por
lo que un reactor airlift es menos flexible en su aplicación a diferentes procesos, por ende,
con diferentes necesidades de transferencia de masa, velocidad del líquido, intensidades de
mezclado, etc. Características que se manejan perfectamente en un tanque agitado.
Actualmente la aplicación de los fermentadores airlift es limitada, aunque recientemente se
han hecho aplicaciones a escala piloto para cultivos celulares tales como diferentes
microorganismos. Se han utilizado biorreactores tipo Airlift con diversos volúmenes de
operación, para la obtención de diferentes productos como proteína unicelular, ácido cítrico.
Este tipo de reactores puede emplearse en casi cualquier tipo de fermentación,
principalmente en fermentaciones aerobias [6].
Se han hecho estudios sobre reactores airlift, principalmente en las siguientes áreas:
1. Cultivos celulares: Enfocado principalmente al estudio de la cinética de crecimiento del
microorganismo en cuestión.
2. Diseño: Se estudia principalmente el efecto producido por la utilización de diferentes
geometrías, y se han intentado descripciones y caracterizaciones de los patrones de
flujo en reactores airlift, así como del efecto de la composición de las corrientes de
entrada y de los aditamentos utilizados.
3. Hidrodinámica: Estudio de los patrones de flujo obtenidos, de ciertas variables que tienen
influencia sobre el comportamiento del reactor como la retención del gas, la velocidad de
circulación del líquido y del gas, y comparaciones de estos estudios realizados en
reactores de tubos concéntricos con reactores de circulación externa.
4. Transferencia de masa: Medición del coeficiente volumétrico de transferencia de masa
global, y obtención de algunas ecuaciones para predecirlo, se estudian los efectos de la
variación de temperatura, carga, etc. sobre el coeficiente de transferencia de masa
global.
5. Escalamiento: Estimación de datos experimentales de reactores airlift de diferentes
dimensiones, y comparación entre ellos.
6. Modelación y control: Se enfoca principalmente a la cinética de crecimiento de
microorganismos en los rectores [6].
Capítulo 2 Marco teórico
15
Antes de poder encontrar correlaciones universales de diseño y operación para reactores
airlift, es necesario obtener mayor información acerca de la influencia de las propiedades
existentes en las diferentes zonas del reactor, tales como: regímenes de flujo, transiciones
en los regímenes de flujo, desarrollo de ecuaciones y métodos de medición para la
obtención de coeficientes locales de transferencia de masa, entre los más importantes.
También existen carencias en la información disponible de datos experimentales para
transferencia de calor, dispersión de gas en el líquido, y mezclado.
Como se ha podido observar, el actual estado del arte sobre los biorreactores airlift, no
incluye aplicaciones generales de diseño, control y simulación de procesos en un reactor de
ésta clase. [6]
2.7 Escalamiento de biorreactores
El escalamiento involucra el estudio de los problemas asociados a transferir la información
obtenida en el laboratorio (ml) a escala de planta piloto (lt) y desde escala de planta piloto
(lt) a escala industrial (m3).
La selección del criterio de escalamiento dependerá de cuál es la variable más importante
para el crecimiento del microorganismo y para la producción de producto deseado, por
ejemplo:
• Fragilidad del m.o.
• Trasferencia de O2
Generalmente el escalamiento se hace en base de principios de semejanza entre 2
sistemas. Esta semejanza se refiere a similitud entre las 2 escalas. Dichas similitudes
pueden ser:
• Similitudes geométricas: Las razones entre las longitudes correspondientes
deben ser iguales en ambos sistemas.
• Similitudes cinemáticas: Las razones entre las velocidades en puntos
equivalentes deben ser iguales en ambos sistemas.
Capítulo 2 Marco teórico
16
• Similitudes dinámicas: Las razones entre las fuerzas en puntos equivalentes
deben ser iguales en ambos sistemas.
2.7.1 Criterios de escalamiento
1. Coeficiente de transferencia de oxígeno
Si lo más importante es mantener el nivel de transferencia de oxígeno en el cultivo, se debe
considerar este criterio.
Los pasos a seguir son:
a) Determinar kLa óptimo desde experimentos a nivel de piloto (kLa debe medirse o
estimarse)
b) Relacionar kLa con variables de diseño de la escala a la cual se desea escalar
(kLa) escala1 = (kLa) escala2
2. Potencia por unidad de volumen
Resulta el criterio clásico de escalamiento en Ing. Química, permite mantener el nivel de
agitación. Al momento de aplicarlo se debe tener cuidado de no sobrepasar los límites tanto
de esfuerzo de corte máximo y nivel de trasferencia de oxígeno mínima.
(Pg/V) escala1= (Pg/V) escala2
Dado que siempre se cumple que: Pg/V a N3 Di2, a partir de ello se puede deducir que
(Probarlo):
(N3 Di2) escala 1 = = (N3 Di
2) escala 2
3. Velocidad tangencial de agitación
Capítulo 2 Marco teórico
17
Permite mantener el nivel de agitación, esta variable deber ser simple evaluada dado que se
puede estar trabajando con microorganismos o micelas que no resistan esfuerzos de corte
mayores que los establecidos.
Al momento de escalar con otros criterios puede ocurrir que se sobrepasen los esfuerzos de
corte máximo aceptable, en ese caso debe prevalecer este criterio.
(N Di) escala 1 = = (N Di) escala 2
4. Mantención del número de Reynolds
Asegura un nivel de agitación adecuado, pero se deben tener en cuenta los mismos puntos
que para el criterio de potencia por unidad de volumen.
(N Di2 ρ/µ) escala1 = (N Di
2 ρ/µ) escala2
5. Velocidad de Bombeo de aire
Asegura una adecuada aireación del sistema, lo cual no asegura una adecuada transferencia
de oxígeno, por lo cual se debe verificar.
Siempre se cumple que la razón de bombeo es proporcional a la velocidad de agitación, F/V
N. Entonces al aplicar este criterio de escalamiento se cumple [23]:
(N) escala 1 = = (N) escala 2
2.8 Variables a medir y monitorear en el biorreactor
A continuación se describen las variables que intervienen en el proceso de degradación del
colorante naranja II en el biorreactor airlift.
Capítulo 2 Marco teórico
18
2.8.1 El pH
El pH es una medida utilizada por la ciencia, en particular la Química, para evaluar la acidez
o la alcalinidad de una solución. Ácido es toda sustancia que en solución acuosa libera
protones (ácido, según Arrhenius). Las sustancias alcalinas aportan el ión hidroxilo (OH-) al
medio. Por lo tanto, el pH es una medida de la acidez de una solución que depende de la
concentración de H+ [7].
Como cualquier medida, el pH posee una escala propia que indica con exactitud un valor.
La escala va de pH = 0 a pH= 14; el pH 7 es el que simboliza la neutralidad. Si el pH es < 7
la solución es considerada ácida; por el contrario, si el pH es > 7, la solución se considera
alcalina. Mientras más ácida la solución, más cerca del 0 estará; y mientras más básica o
alcalina el resultado se aproximará a 14 [7].
2.8.1.1 Electrodo de vidrio
El electrodo de vidrio (ver figura 2.4) actualmente constituye la pieza fundamental en la
medición electrométrica del pH. Junto con el electrodo de calomel, se encuentran
ampliamente difundidos y a la fecha no existe otro sistema para la medición electrométrica
que tenga la misma versatilidad y precisión. El principio bajo el cual trabaja el electrodo de
vidrio fue descubierto, en forma accidental por McInnes y Dole, cuando observaron que el
vidrio que empleaban en sus investigaciones mostraba cierta sensibilidad a las variaciones
de pH. Una vez hecho su descubrimiento, procedieron a investigar una composición más
adecuada de vidrio, que es la base de los electrodos empleados hoy día [8].
Figura 2.4: Electrodo de vidrio
Capítulo 2 Marco teórico
19
2.8.1.2 Funcionamiento del electrodo de pH
El método determina el pH midiendo el potencial generado (en milivolts) por un electrodo,
este potencial se compara contra un electrodo de referencia, que genera un potencial
constante e independiente del pH. El electrodo de referencia que se utiliza es el de calomel
saturado con cloruro de potasio, el cual sirve como puente salino que permite el paso de los
milivolts generados hacia al circuito de medición [8].
El sistema actual de medición de pH es, por excelencia, el electrodo combinado. Su nombre
deriva de la práctica inicial en que el electrodo sensor de (H+) estaba separado del electrodo
de referencia; la combinación de ambos en una sola estructura llevó a su nombre actual. Sin
embargo, la práctica industrial sigue utilizando electrodos de referencia y de pH separados,
porque permite señales más confiables y procedimientos de manutención que, en ciertos
casos, resultan más controlables y de menor costo [8].
De cualquier forma, la diferencia de potencial será dada por la ecuación de Nernst [9]:
Donde EH es el potencial (en voltios) detectado a través de la membrana de vidrio, E ref es el
potencial del electrodo de referencia, y (2.3 RT/NF) es el factor de Nernst, que depende de
la constante de los gases (R), la constante de Faraday (F), la carga del ión (Nión), que para el
pH vale 1, y la temperatura en grados Kelvin (T). El comportamiento del electrodo depende
de la temperatura. Por eso es importante que a la hora de calibrar el pH-metro siempre
esperemos a que las disoluciones patrón sacadas de la nevera se pongan a temperatura
ambiente.
Como a 25ºC el factor de Nernst vale aproximadamente 0,0591 y el potencial de referencia
se considera igual a cero, la ecuación de Nernst queda reducida a [9]:
Capítulo 2 Marco teórico
20
2.8.2 Temperatura
La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia.
En resumen, la temperatura es una medida de la energía media de las moléculas en una
sustancia y no depende del tamaño o tipo del objeto que las contenga [10].
2.8.2.1 Termopares
Cuando dos metales se unen, en la unión se produce una diferencia de potencial. Ésta
depende de los metales utilizados y la temperatura de la unión. Un termopar (ver figura 2.5)
es un circuito completo con dos uniones de este tipo. Si ambas uniones están a la misma
temperatura, no existe una fuerza electromotriz (fem) neta. En cambio, si la temperatura es
diferente, si se produce una fem. Por lo general una de las dos uniones se mantiene a 0ºC
[11].
Figura 2.5: Representación de un termopar
En la tabla 2.1 se muestran los termopares de uso más común, los intervalos de temperatura
en los que se usan y sus sensibilidades características. A estos termopares de uso común se
les asigna letras de referencia. Por ejemplo, el de hierro-constantán se conoce como
termopar tipo J [11].
Capítulo 2 Marco teórico
21
Tabla 2.1: Termopares de uso común.
Referencia Materiales Intervalo en ºC µV/ºC
B Rodio/platino, platino
30%, rodio 6%
0 a 1800 3
E Cromel/constantán -200 a 1000 63
J Hierro/constantán -200 a 900 53
K Cromel/alumel -200 a 1300 41
N Nirosil/nisil -200 a 1300 28
R Platino/platico con
13% rodio
0 a 1400 6
S Platino/platino con
10% rodio
0 a 1400 6
T Cobre/constantán -200 a 400 43
2.8.3 Absorbancia
Es una relación exponencial entre la transmisión de luz a través de una muestra líquida y la
concentración de la sustancia que absorbe la luz. La longitud de onda de la luz incidente y la
naturaleza de la sustancia que la absorbe guardan una dependencia estrecha. Si conocemos
l y α, la concentración de la sustancia puede ser deducida a partir de la cantidad de luz
transmitida (ver figura 2.6) [12].
Figura 2.6: Demostración de la absorbancia
Capítulo 2 Marco teórico
22
Las unidades de c y α dependen del modo en que se exprese la concentración de la
sustancia absorbente. Si la sustancia es líquida, se suele expresar como una fracción molar.
Las unidades de α son la inversa de la longitud (por ejemplo cm-1). En el caso de los gases, c
puede ser expresada como densidad, en cuyo caso α es una sección representativa de la
absorción y tiene las unidades en longitud al cuadrado (cm2, por ejemplo) [12].
El valor del coeficiente de absorción α varía según los materiales absorbentes y con la
longitud de onda para cada material en particular. Se suele determinar experimentalmente
[12].
Esto se puede expresar de distintas maneras:
lcA lce
I
I 0
1 0
1logI
IA
k4
A es la absorbancia
I0 es la intensidad de la luz incidente
I1 es la intensidad de la luz una vez que ha atravesado el medio
l es la distancia que la luz atraviesa por el cuerpo
c es la concentración de sustancia absorbente en el medio
α es el coeficiente de absorción o la absorbancia molar de la sustancia
λ es la longitud de onda del haz de luz
k es el coeficiente de extinción
2.8.3.1 Espectrofotómetro
Instrumento que expone una muestra a una luz de longitudes de onda definidas y mide la
absorbancia. Distintos tipos de espectrofotómetros actúan en distintos márgenes de longitud
de onda, como el ultravioleta, el visible y el infrarrojo [13].
Capítulo 2 Marco teórico
23
2.8.3.2 Componentes de un espectrofotómetro
Fuente de luz: La misma ilumina la muestra. Debe cumplir con las condiciones de
estabilidad, direccionalidad, distribución de energía espectral continua y larga vida. Las
fuentes empleadas son lámparas de tungsteno y lámpara de arco de xenón.
Monocromador: Para obtener luz monocromática, constituido por rendijas de entrada y
salida, colimadores y el elemento de dispersión. El monocromador aísla las radiaciones de
longitud de onda deseada que inciden o se reflejan desde el conjunto [13].
Fotodetectores: en los instrumentos modernos se encuentran una seria de 16
fotodetectores para percibir la señal en forma simultánea en 16 longitudes de onda,
cubriendo el espectro visible. Esto reduce el tiempo de medida y minimiza las partes móviles
del equipo [13].
2.8.3.3 Utilidad del espectrofotómetro
El espectrofotómetro tiene la capacidad de proyectar un haz de luz monocromática (de una
longitud de onda particular) a través de una muestra y medir la cantidad de luz que es
absorbida (absorbancia) por dicha muestra. Esto permite al experimentador realizar dos
funciones.
1. Obtener información sobre la naturaleza de la sustancia en la muestra. Esto podemos
lograrlo midiendo la absorbancia a distintas longitudes (ʎ) de onda y graficar estos
valores en función del largo de onda, formando un espectrograma.
2. Saber cuánta cantidad de la sustancia que nos interesa está presente en la muestra.
La concentración es proporcional a la absorbancia, según la ley de Beer-Lambert
(descrita en la parte de absorbancia); a mayor cantidad de moléculas presentes en la
muestra, mayor será la cantidad de energía absorbida por sus electrones [13].
2.8.3.4 Fotorresistencia
Una fotorresistencia (ver figura 2.7) es un componente electrónico cuya resistencia
disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado
Capítulo 2 Marco teórico
24
fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas,
LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Su cuerpo está formado
por una célula o celda y dos patillas.
El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede
descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmnios) [14].
Figura 2.7: Fotorresistencia
2.8.3.5 LED
Un diodo emisor de luz (ver figura 2.8), también conocido como LED (acrónimo del inglés de
light-emitting diode) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz incoherente de
espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él
una corriente eléctrica. Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia. El color,
depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar
desde el ultravioleta, pasando por el visible, hasta el infrarrojo, (ver la tabla 2.2) [15].
Tabla 2.2: Compuestos empleados en la construcción de LED
Compuesto color Longitud de onda
Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo 940 nm
Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAS) Rojo e infrarrojo 890 nm
Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP) Rojo, anaranjado y amarillo 630 nm
Fosfuro de galio (GaP) Verde 555 nm
Nitruro de galio (GaN) Verde 525 nm
Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul
Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul 450 nm
Carburo de silicio (SiC) Azul 480 nm
Diamante (C) Ultravioleta
Silicio (Si) En desarrollo
Capítulo 3 Degradación biológica del colorante Naranja II
27
En este capítulo se presenta, la metodología utilizada para la producción de biomasa de los
organismos utilizados, las condiciones de trabajo y resultados obtenidos en la decoloración
biológica del colorante Naranja II en matraces de 125 ml y en reactores de tipo Airlift de 300
3.1 Preparación de inóculo en medio sólido
Se utilizaron las cepas Trametes versicolor y Pleurotus ostreatus.
Para preparar el inóculo los hongos fueron crecidos en cajas Petri en un medio con PDA
(papa-dextrosa-agar) con una concentración de 39g/l. El medio PDA fue esterilizado a 121°C
y 15 psi por 20 minutos en una autoclave. Posteriormente se inoculó aproximadamente 0.5
cm2 del hongo crecido en medio sólido, se incubó a 25 ºC en oscuridad durante 8 días. (ver
figura 3.1).
Figura 3.1: Crecimiento del hongo, en medio solido
3.2 Preparación del medio líquido para la inoculación del hongo
El medio líquido para el crecimiento de P. ostreatus y T. versicolor se realizó con una
solución buffer de fosfatos (NaH2PO4 como ácido y Na2HPO4) 60 mM, a un pH 6.0 y como
fuente de carbono se utilizo cereal molido (hojuelas de salvado) al 1%. Esto se realiza en
matraces Erlenmeyer de 500 ml. con un volumen total de 100 ml.
Capítulo 3 Degradación biológica del colorante Naranja II
28
Los matraces con el medio se esterilizan a una temperatura de 121°C y 15 psi por 20
minutos en una autoclave. Pasado el tiempo de esterilización se inocula 0.5 mm de micelio el
cual es molido (ver figura 3.2) durante 10 segundos con buffer pH 6 y se coloca en el medio
líquido.
Figura 3.2: Fragmentos de micelio para ser molido
3.3 Inoculación
Se vierten 2 mililitros de preinóculo en los matraces, cada uno con 100 mililitros (previamente
esterilizados) de buffer pH 6, a 60 mM al 1% de la fuente de lignocelulosa. Se toma una
muestra cada 12 horas para medir su actividad enzimática en el espectrofotómetro con el fin
de identificar su fase exponencial para poder inmovilizar al micelio puesto que es la
producción óptima de lacasa.
3.4 Inmovilización del hongo
Para la inmovilización se necesita alginato, las proporciones son de 1 gramo por 100
mililitros de agua destilada, el alginato se va agregando poco a poco en el agua, el agua de
preferencia debe de estar tibia al incorporarse y se deja homogenizar. Cuando esté listo el
alginato se vacía la biomasa, dejando que se mezcle por un tiempo (ver figura 3.3).
Capítulo 3 Degradación biológica del colorante Naranja II
29
Figura 3.3: Solución de alginato y biomasa
Para preparar cloruro de calcio 0.2 Molar, se agregan 22.2 gramos de cloruro de calcio a un
litro de agua destilada, se homogeniza la solución y se almacena a 4°C. (Siempre debe
permanecer frío). Cuando se vaya a inmovilizar se mantendrá en agitación esta solución
durante todo el proceso.
Cuando se tiene todo esto, se conecta una bomba peristáltica por donde circula el alginato
con la biomasa (ver figura 3.4). Se fija una velocidad en la bomba para que el alginato con la
biomasa caiga gota a gota en el carbonato de calcio (ver figura 3.5), para formar las
pelotitas con un diámetro aproximado de 0.4- 0.5 cm., se deja en el cloruro de calcio durante
60 minutos, una vez terminado el tiempo se tamiza y se lava con buffer p H 6.
Figura 3.4: Inmovilización del hongo
Capítulo 3 Degradación biológica del colorante Naranja II
30
Figura 3.5: Caída de la biomasa en el carbonato de calcio
3.5 Preparación de buffer pH = 6
Se realizaron los cálculos necesarios para la utilización de un buffer de fosfato de pH = 6, los
cuales son los siguientes:
Para el ácido se tiene la siguiente relación:
NaH2PO4 = 23+2+31+64 = 120gM
Para la base se tiene la siguiente relación:
Na2HPO4 = 46+1+31+64 = 142 gM
Capítulo 3 Degradación biológica del colorante Naranja II
31
3.6 Colorante Naranja II
El uso de este colorante y de otros se ha incrementado debido a su bajo costo de producción
y su alta estabilidad química (a la luz, temperatura, detergentes y ataque microbiano).
Los colorantes más utilizados en la industria textil so los azo. El grupo azo está unido por un
lado núcleo aromático o heterocíclico, y por otro lado puede estar unido a una molécula
insaturada de tipo carboxilo, heterocíclico o alifático (ver figura 3.6)
Figura 3.6: Estructura química del colorante naranja II. En la figura se presenta el espectro de absorción del colorante al inicio y al final de la
degradación. Donde se puede observar que la longitud de onda dominante es a 450 nm, y
esa misma longitud es la que se mantiene en todo el experimento de degradación (ver figura
3.7).
Capítulo 3 Degradación biológica del colorante Naranja II
32
Figura 3.7: Espectro de la desaparicion del colorante Naranja II con T.v libre.
3.7 Biodegradación del colorante Naranja II en matraces
Los experimentos fueron realizados en matraces de 125 ml con un medio de buffer de
fosfatos pH 6 y el colorante naranja II a 25 ppm, en un volumen final de 20ml. La biomasa
utilizada fue del 10% para ambas condiciones (en forma libre e inmovilizada).
Las condiciones de la biodegradación fueron las siguientes: agitación constante 150 rpm
(agitadora orbital) a temperatura ambiente durante 48 horas de incubación. Se midió la
decoloración en un espectrofotómetro (marca beckman) a una longitud de onda de 450nm.
Los resultados se presentan en la figura 3.8 donde se observa la evolución de la absorbancia
del hongo Trametes versicolor (T.v.) libre e inmovilizado, así como del Pleurotus Ostreatus
(P.o.) libre e inmovilizado.
Se aprecia que el hongo T.v libre tiene una mayor disminución de la absorbancia, por
consiguiente una decoloración mayor del colorante Naranja II, no sucediendo lo mismo con
el hongo P.o que no alcanza los mismos valores de absorbancia que el T.v, por lo tanto tiene
una menor degradación.
En la figura 3.9 se presenta el resultado de la prueba realizada con T.v y P.o con biomasa
libre, en las mismas condiciones antes descritas. Donde se observa un mejor funcionamiento
del hongo T.v para la degradación del colorante Naranja II en 3.5 horas de funcionamiento.
Capítulo 3 Degradación biológica del colorante Naranja II
33
Figura 3.8: Evolución de la absorbancia con el hongo T.v y el P.o libre e inmovilizado. .
Figura 3.9: Evolución de la absorbancia con el hongo T.v y P.o libre
Capítulo 3 Degradación biológica del colorante Naranja II
34
3.8 Biodegradación del colorante Naranja II en un biorreactor
En el experimento en el biorreactor no se presentan datos de absorbancia debido a que el
medio se contaminó, accidentalmente, ya que el micelio inmovilizado no se lavó antes de
introducirlo al biorreactor, y por lo tanto se contaminó con calcio que se utiliza para la
inmovilización. Es por esto que el colorante se observa turbio (ver figura 3.10).
Figura 3.10: Funcionamiento del birreactor
3.9 Conclusiones experimentación con el hongo
Se puede concluir que el hongo T.v. degrada mejor el colorante Naranja II a 25ppm y esto lo
realiza mejor en forma libre, ya que al inmovilizarlo reduce su actividad. Otro problema al
inmovilizar es el calcio que se queda en las perlitas de alginato y que puede contaminar el
efluente. Por lo que para experimentos posteriores con el biorreactor no se realizarán con
biomasa inmovilizada.
Capítulo 4 Diseño Físico
36
En este capítulo se presenta el diseño y construcción de los elementos que integran el
prototipo para el tratamiento biológico de colorantes, éstos son:
Dimensionamiento y construcción del biorreactor
Soporte del biorreactor
El módulo electrónico
También se presenta la programación del microcontrolador y de la interfaz gráfica.
4.1 Dimensionamiento y construcción del biorreactor
Para este trabajo se decidió utilizar un reactor airlift para evitar el daño a las células y a las
perlitas de alginato, ya que la agitación se realiza con aire. Y para favorecer la transferencia
de oxígeno, la cual es determinante en los procesos biológicos.
Mucha información relacionada con la construcción de biorreactores tipo airlift tiene origen
empírico, de tal manera que se han recomendado algunas relaciones geométricas que
optimizan el tiempo de mezclado y la transferencia de masa en el fermentador [6].
Es necesario determinar la escala de operación (V) o bien el diámetro del equipo para
calcular el volumen total.
Vop= 0.7 VT__________________________ (1)
Se debe obtener el volumen de tapas de la siguiente manera:
Vt= Dd3/24 para tapas elipsoidales________________________ (2)
Vt= Dd3/12 para tapas hemisféricas_______________________ (3)
Vt= 0 para tapas planas____________________________ (4)
El volumen total se obtiene también de la suma del volumen del cilindro más el volumen de
tapas.
Capítulo 4 Diseño Físico
37
VT= Vc + Vt ____________________________________________________ (5)
Mientras que el volumen del cilindro se calcula por medio de la ecuación:
Vc= HT Dd2/4 __________________________________________________ (6)
La altura total del biorreactor es la suma de HT y Dd.
H= HT + Dd ______________________________________________ (9)
Y la altura del líquido está dada por:
____________________________________________________________________ (10)
El diámetro del tubo interno se recomienda tomarlo como:
Dr= 0.6Dd______________________________________________________ (11)
Para fines de diseño del prototipo a escala piloto, se considera únicamente el escalamiento
por volumen, ya que en los experimentos a escala de laboratorio no se hicieron
consideraciones de: transferencia de oxígeno, Número de Reynolds, velocidad de bombeo
de aire, etc.
Por lo tanto, como los experimentos previos fueron con biorreactores airlift de 0.3 litros, se
propuso escalar 10 veces ese volumen para tener un biorreactor final de 3 litros. Teniendo
en consideración este volumen, se continúa con el cálculo de las dimensiones con las
fórmulas mencionadas anteriormente.
Como ya se conoce el volumen de operación que es de 3 litros o 0.003 m3 entonces se tiene:
Vop= 0.003m3
Capítulo 4 Diseño Físico
38
Despejando VT de la ecuación (1), se obtiene el volumen total del reactor
Para el volumen de tapas (Vt) se toma la ecuación (3) para tapas hemisféricas. Se propone
un diámetro de biorreactor (Dd) que se pueda encontrar de manera comercial, en este caso
se propone el diámetro de 0.1m3.
Para calcular el volumen del cilindro exterior (Vc) se despeja Vc de la ecuación (5).
Vc = VT - Vt =0.004286m3 – 0.000262m3 = 0.004024m3
De la ecuación (6) se despeja HT que es la altura del cilindro exterior.
La altura total del biorreactor se calcula con la ecuación (9):
H= HT + Dd= 0.5123+0.1=0.6123 m
La altura máxima del líquido se calcula con la ecuación (10)
El diámetro del tubo interno se calcula con la fórmula (11).
Dr = 0.6Dd = 0.6 (0.1) = 0.06m
Capítulo 4 Diseño Físico
39
Una vez que se tienen las dimensiones del reactor para un volumen de 3 litros, se construyó
el reactor en tubería de PVC hidráulico (ver figura 4.1) ya que este es más económico que
otros materiales existentes como el acero inoxidable, el acrílico y el vidrio; además es muy
fácil de conseguir. No se utiliza PVC sanitario ya que tiene paredes muy delgadas, la ventaja
de éste es que es más barato que el PVC hidráulico (ver los planos en el Apéndice A).
Figura 4.1: Biorreactor
Para introducir el oxígeno al biorreactor se utilizaron dos piedras difusoras para acuario, una
al interior del biorreactor como se muestra en la figura 4.2 y otra afuera del biorreactor en la
manguera de entrada de aire como se ve en la figura 4.3, al colocar estos dos difusores se
obtiene una burbuja como se muestra en la figura 4.4.
Figura 4.2: Difusor de aire interno Figura 4.3: Difusor de aire externo
Capítulo 4 Diseño Físico
40
Figura 4.4: Tamaño de burbuja biorreactor
4.1.1 Soporte para el biorreactor
Para sujetar el reactor se diseñó y construyó una estructura de cuadrado de fierro, montado
sobre una lámina de fierro (ver figura 4.5). Esta estructura sujeta al biorreactor por medio de
seis tornillos que se ajustan al diámetro del mismo. Debido a su diseño se pueden sostener
biorreactores de distintos diámetros de hasta 150 milímetros (ver planos en el Apéndice A).
Capítulo 4 Diseño Físico
41
Figura 4.5: Estructura para el biorreactor
4.2 Módulo electrónico
Consiste en una tarjeta electrónica (ver figura 4.6) para la adquisición de datos de los
sensores de temperatura, absorbancia y pH; para el control de movimiento del motor de
pasos unipolar, para el encendido de los LEDs, así como para la comunicación serial con la
computadora. Ésta tarjeta es puesta dentro de un gabinete de color negro con dimensiones
22.3 x 14 x 9.2cm, que cuenta por la parte de afuera con 2 conectores BNC hembra, uno
para el sensor de temperatura (termopar) y el otro para el sensor de pH (electrodo de vidrio),
dos conectores jack banana para la fotorresistencia y tres conectores hembra DB9 (ver figura
4.7).
Capítulo 4 Diseño Físico
42
Figura 4.6: Tarjeta electrónica del biorreactor
Figura 4.7: Módulo electrónico
El circuito y el PCB de la tarjeta se diseñaron en PROTEL 2004 y ésta última se mandó a
fabricar en fibra de vidrio con doble cara y acabado en estaño.
La adquisición de estas señales se hace por medio del microcontrolador PIC16F877A [16] de
la empresa de microchip. La resolución proporcionada por es ADC del PIC16F877A a 10 bits
es función de la tensión de referencia Vref, de acuerdo con la fórmula siguiente:
Capítulo 4 Diseño Físico
43
bit
mV
bit
mVVV refref88.4
1023
05000
1023Resolución
Por tanto, a la entrada analógica de 0 V le corresponde una digital de 00 0000 0000 y para la
de 5 V una de 11 1111 1111.
Para alimentar esta tarjeta se utiliza una fuente de poder simétrica de 12V, -12V, 5V, -5V.
Los detalles de esta tarjeta se discuten en el Apéndice B.
4.3 Medidor de absorbancia
Los espectrofotómetros están compuestos básicamente por un emisor de luz, un
monocromador y un detector. Y sirven para medir la cantidad de luz absorbida por una
muestra, él haz debe ser a cierta longitud de onda, dependiendo del tipo de colorante
predominante en la muestra.
Para el medidor propuesto se utiliza el diodo emisor de luz (LED) como emisor de luz y como
monocromador y una fotorresistencia como detector.
4.3.1 Sensor de absorbancia
El sensor de absorbancia está compuesto por una fotorresistencia de 1MΩ, que es el
elemento receptor sensible a la luz. Este dispositivo varia su resistencia de forma
logarítmica, por lo tanto, para acondicionar la respuesta de este sensor a los cambios de
intensidad luminosa y que puedan ser leídos por el Microcontrolador, se utiliza el circuito
diferencial en modo común con el amplificador operacional LM741. Este circuito linealiza la
respuesta de la fotorresistencia, dando a la salida un voltaje lineal con la variación de la
resistencia. (ver Apéndice B) [17].
4.3.2 Rueda de LEDS
La rueda de LEDs contiene 8 elementos emisores de luz (LEDs), cada uno con diferente
longitud de onda emitida dependiendo del dopado del material y por consiguiente él color de
Capítulo 4 Diseño Físico
44
luz. Los LEDs son encendidos por el Microcontrolador dependiendo de la longitud de onda
que se requiera. En la tabla 4.1 se muestran las longitudes de onda de los LEDs utilizados.
Tabla 4.1: Longitudes de onda de LEDs
color Longitud de onda (nm)
Naranja 605
Verde 565
Azul ultra brillante 470
Rojo ultra brillante 625
violeta 420
Amarillo claro 585
Amarillo difuso 590
Para mover y posicionar la rueda se utiliza un motor de pasos unipolar. Sus movimientos son
controlados por el Microcontrolador que proporciona los movimientos (pasos) necesarios que
debe efectuar el motor para posicionar cada LED, de forma que quede alineado con la
fotorresistencia (ver figura 4.8), y se puedan efectuar las mediciones correspondientes de la
absorbancia.
Figura 4.8: Alineación del LED con la fotorresistencia
Capítulo 4 Diseño Físico
45
4.3.3 Bomba de recirculación
Con el fin de poder recircular agua del biorreactor al medidor de absorbancia se utiliza una
bomba de lavadora marca ASKOLL, con alimentación de 127 volts de corriente alterna y un
consumo de corriente de 0.83 amperes, a esta bomba se le adaptaron 2 reducciones de ½” x
¼” y dos espigas de ¼” (ver figura 4.9).
Figura 4.9: bomba de recirculación
4.3.4 Integración de los elementos del medidor de absorbancia
El sensor y la rueda se montan sobre una caja cerrada de metal de color negro mate, esto
para evitar ruido en la medición por reflejo de luz (ver figura 4.10). La caja se perfora de la
parte superior e inferior, para permitir la circulación del fluido con colorante, para esto se
utiliza un tubo especial de vidrio (celda) para evitar la difracción de la luz. Éste pasa
solamente en la parte donde es atravesado el haz del emisor, es decir por la parte central de
donde se encuentran alineados el emisor (LED) y el receptor (fotorresistencia) (ver la figura
4.11), y poder hacer la medición correspondiente de la absorbancia.
La caja cuenta en la parte frontal con tres conectores de salida que son:
Capítulo 4 Diseño Físico
46
Fotorresistencia
Motor de pasos
Rueda de LEDs
Estos se deben conectar al módulo electrónico.
Figura 4.10: Caja sensor de absorbancia Figura 4.11: Alineación del tubo
La bomba está conectada para tener una recirculación como se muestra en la figura 4.12 y
así no tener flujo estático en la parte del medidor de absorbancia, ya que si no existiera
recirculación siempre se estaría midiendo el mismo valor de absorbancia.
El diseño de los elementos de medición de la absorbancia y la recirculación de fluido es un
diseño nuestro cuyos principales objetivos fueron; la precisión necesaria para detectar
pequeñas variaciones en la concentración del colorante y un costo bajo con respecto al de
un espectrofotómetro, así como la posibilidad de hacer mediciones de absorbancia en forma
continua y sin desperdicio de muestras, ya que estas se recirculan al biorreactor.
Esta parte del trabajo de tesis, sin duda es una de las mayores contribuciones.
Capítulo 4 Diseño Físico
47
Figura 4.12: Circulación de flujo en el medidor de absorbancia
4.4 Medidor de temperatura
Para medir esta magnitud física se utiliza un termopar tipo K. Para el acondicionamiento de
la señal se utiliza el circuito integrado de Analog Devices (AD594), específico para
termopares. Éste contiene un amplificador de instrumentación y el circuito de compensación
de punta fría para un termopar tipo J, aunque se puede calibrar para otros tipos de
termopares como es el caso (ver Apéndice B) [18].
Algunas características acerca de este sistema de medida son [18]:
El circuito está calibrado a una temperatura de 25 ºC para un termopar tipo J.
A la temperatura de 25 ºC la sensibilidad del termopar es 51,08 μV/ºC.
A la temperatura de 25 ºC la ganancia del amplificador de instrumentación es 193,34.
A la temperatura de 25 ºC la tensión que el circuito entrega a su salida es de ˜ 10
mV/ºC (51,08 μV/ºC · 193,34).
Capítulo 4 Diseño Físico
48
El circuito integrado introduce un offset en la salida del amplificador de 16 μV, por
tanto, la tensión exacta de salida para 25 ºC es:
AD594output = (Vtermopar + 16 μV) · 193,34
La tensión del termopar tipo J será por tanto:
Vtermopar = (AD594output / 193,34) – 16 μV
La salida del AD594 es conectada a la entrada AN0 del Convertidor Analógico Digital (ADC)
del microcontrolador PIC16f877A, donde se envía el dato digital de forma serial, por medio
de un programa realizado en LabVIEW 8.2, este dato es recibido y se transforma en una
salida de temperatura que el usuario puede visualizar en el panel frontal.
4.5 Medidor de pH
Para la medición de pH se utiliza un electrodo 405 DPAS-SC-K8S/325 (ver figura 4.13) de
mettler Toledo. El rango de medición de este electrodo es de 0 a 12 unidades de pH.
La manera más exacta para la medición del pH, es utilizando un medidor de pH con
electrodo combinado de vidrio. El pHmetro mide la diferencia de potencial entre el electrodo
de referencia (Ag+/AgCl) y el de cristal que es sensible a los iones de hidrógeno.
Para obtener con exactitud el pH de una solución, se debe calibrar el pHmetro con
soluciones llamadas buffer o tampones que mantienen casi invariable el pH de una solución
cuando a ésta se le agrega ácido o base o la solución se diluye. Las soluciones tampones se
pueden preparar con un valor de pH bien definido, y que pueda ser leída por el
microcontrolador. Se utilizaron amplificadores operacionales para construir el pHmetro (ver
Apéndice B) [7].
Capítulo 4 Diseño Físico
49
Figura 4.13: Electrodo de pH
4.6 Programación microcontrolador
El programa del microcontrolador se realizó en lenguaje BASIC [20], con ayuda del programa
MicroCode Studio [21]. El programa cuenta con 4 subprogramas que son:
Absorbancia
ADC
Válvulas_cerradas
Bomba
El primer subprograma sirve para el control de movimiento y posicionamiento del motor de
pasos, para cada longitud de onda; el segundo sirve para accionar el convertidor analógico
digital (ADC) del microcontrolador y enviar por el puerto serie los datos a la computadora, el
tercero sirve para accionar las válvulas solenoides (Esta subrutina quedó para una
modificación a futuro del biorreactor), y el último subprograma sirve para encender y apagar
la bomba de recirculación del medidor de absorbancia.
Capítulo 4 Diseño Físico
50
4.7 Programación interfaz gráfica
Esta interfaz gráfica se realizó en LabView 8.2, y sirve para la comunicación entre el
microcontrolador y la computadora.
La comunicación que se utiliza es serial asíncrona con dato invertido, es decir que un 1
lógico vale 0 Volts, y un 0 lógico vale 5 Volts.
El programa cuenta con tres etiquetas que son:
Monitoreo de sensores
Posición longitud de onda
Accionamiento de válvulas
4.7.1 Monitoreo de sensores
Adquiere, almacena y visualiza numéricamente y gráficamente los valores de las 4 entradas
del ADC del microcontrolador (ver figura 4.14).
Esta etiqueta cuenta con 7 partes principales que son:
Configuración del puerto serie
Almacenamiento de datos
Intervalo de almacenamiento de datos
Visualización
Calibración de sensores
Longitud de onda
Encendido bomba
4.7.2 Configuración del puerto serie
Se configura la transmisión del puerto serie, para esta aplicación se configura de la siguiente
manera:
Capítulo 4 Diseño Físico
51
Velocidad de transmisión: 9600 bits/s
Bits de datos: 8 bits
Paridad: ninguna
Bits de parada: uno
Control de flujo: ninguno
Retardo de lectura: 250 milisegundos
4.7.3 Almacenamiento de datos
En esta parte se configura el almacenamiento de datos como sigue:
Nombre de archivo: Se introduce el nombre con el que el usuario desea almacenar sus
datos.
Extensión: Sirve para diferenciar el tipo de archivo almacenado, se puede utilizar extensión
.dat, .xls, y .txt.
Indicador de archivo: Muestra el nombre del archivo al ejecutarse el almacenamiento de
datos.
Un ejemplo del archivo generado se muestra en el Apéndice E.
4.7.4 Intervalo de almacenamiento de datos
Controla el tiempo y ejecución para el almacenamiento de datos de los sensores, y cuenta
con las siguientes etiquetas de configuración:
Tiempo de trabajo: Es el tiempo que permanecerá en ejecución el programa, de acuerdo a
lo requerido por el usuario.
Intervalo de almacenamiento: Es cada qué intervalo de tiempo se llevará a cabo el
almacenamiento de datos, éste irá cambiando conforme se cumpla el tiempo transcurrido del
guardado de datos (por ejemplo si el usuario pone un intervalo de 10 minutos, se
almacenarán datos cada 10 minutos y se irá incrementando el intervalo a 20 minutos, 30, 40,
etc.).
Capítulo 4 Diseño Físico
52
Tiempo de almacenamiento de datos: Es el tiempo que se mantendrán guardando los
datos en disco duro (por ejemplo si el intervalo de almacenamiento fue de 10 minutos y el
tiempo de almacenamiento de 5 minutos, entonces empezará a almacenar los datos cuando
hayan transcurrido 10 minutos y terminará de almacenar los datos a los 15 minutos).
Se iluminará un indicador en el panel frontal del programa en color verde cuando se active
esta función.
4.7.5 Visualización
Es donde se observa el estado de las 4 entradas del ADC del microcontrolador tanto
gráficamente como numéricamente.
4.7.6 Calibración de sensores
Sirve para introducir lo valores de pendiente e intersección de calibración de los sensores de
Temperatura, pH y adicionalmente se dejo para el sensor de oxígeno disuelto.
4.7.7 Longitud de onda
Para escoger la longitud de onda que se va a utilizar en ese momento. Presionar el botón en
la longitud de onda, este cambiara a color verde cuando esté activo.
4.7.8 Encendido bomba
Cuenta con dos variables “Resta bomba” y Tiempo encendido bomba y un indicador
“Tiempo”.
Resta bomba: El valor de esta variable se resta al valor de la variable intervalo de
almacenamiento, dando como resultado el tiempo en el que se encenderá la bomba.
Tiempo encendido bomba: Es el tiempo que se mantendrá encendida la bomba.
Tiempo: Muestra el tiempo en el que se encenderá la bomba.
Capítulo 4 Diseño Físico
53
4.7.9 Herramientas adicionales
El programa también cuenta con un indicador de tiempo transcurrido, un botón de paro de
emergencia, indicador de buffer de lectura y bytes leídos, un botón para activar o desactivar
el ADC del microcontrolador, un botón para pasar a la etiqueta posición de longitud de onda,
así como un control de buffer de escritura para mandar datos al microcontrolador.
Figura 4.14: Etiqueta monitoreo de sensores
4.8 Posición longitud de onda
Posiciona una longitud de onda determinada, por medio del control del motor de pasos. El
control del motor se realiza por medio de un carácter que es enviado desde la computadora
hasta el PIC, éste lee el carácter y ejecuta una sub-rutina, para posicionar la longitud de
onda escogida por el usuario (ver figura 4.15). El programa cuenta con 16 botones para
activar y desactivar los elementos de generación de longitud de onda (LEDs) para la
Capítulo 4 Diseño Físico
54
medición de absorbancia, un botón para encender la medición de absorbancia y con un
botón de paro de emergencia.
Figura 4.15: Etiqueta Posición longitud de onda
4.9 Accionamiento de válvulas
Sirve para abrir o cerrar dos válvulas solenoides, cuenta con dos interruptores, dos
indicadores, botón de paro y un botón para regresar al menú principal del microcontrolador
(ver figura 4.16).
Figura 4.16: Accionamiento de válvula
Capítulo 5 Calibración de sensores
56
En este capítulo se describe, cómo se llevó a cabo la calibración de los sensores de
temperatura, pH y absorbancia.
5.1 Sensor de temperatura
Para calibrar el circuito de temperatura se utilizó:
Vaso de precipitados
Agua
Termómetro de mercurio
Hielo
Primero se introduce el termopar y el termómetro de mercurio (éste servirá de referencia de
temperatura) a un vaso con agua fría, ésta se enfrió con hielo hasta llegar a los 0 ºC, una vez
que se tienen los 0 ºC se ejecuta el programa y se lee el voltaje generado por el termopar y
el AD594 a esa temperatura, después se calienta el agua a 5 ºC y se vuelve a leer el voltaje
generado, este proceso se repite hasta llegar a los 100 ºC. El aumento de temperatura se
realiza cada 5 ºC, es decir 5, 10, 15, 20, etc. Hasta llegar a los 100 ºC, en la figura 5.1 se
muestra la gráfica del voltaje generado contra temperatura.
Figura 5.1: Respuesta del termopar
Capítulo 5 Calibración de sensores
57
Si se toman todos estos puntos de muestra y se aplica un método numérico de aproximación
(regresión lineal de mínimos cuadrados), se llega a una sola ecuación aproximada que
caracteriza el comportamiento del sistema formado por el termopar más el AD594 (ver figura
5.2).Como los puntos discretos siguen más o menos un comportamiento lineal, es por eso
que mediante una regresión lineal es suficiente para calibrar el termopar con el AD594.
Figura 5.2: Regresión lineal termopar
La ecuación aproximada que caracteriza el comportamiento del sistema formado por el
termopar más el AD594: recta especificada por la ecuación siguiente
Temp = 0.12904*VAD594 -7.63732
Donde:
Temp: Temperatura que se desea medir (ºC)
VAD594 = Tensión de salida del AD594
En la tabla 5.1 se muestran los valores obtenidos de la calibración del termopar más el
AD594.
Capítulo 5 Calibración de sensores
58
Tabla 4.1: Calibración termopar más AD594
Termopar
offset 7.63732
Grado de calibración 0.12904
error 0.001
Desviación estándar de la forma 0.7369
Coeficiente de correlación 0.999
5.2 Sensor de pH
Para calibrar el sensor se utilizan dos soluciones patrón, una de pH = 4 y otra de pH = 7, ya
que la solución a medir tiene un pH = 6.
Primero se introduce el sensor de pH en la solución de valor de pH = 4 y se deja un tiempo
para su estabilización, después se toma el valor de voltaje generado. En seguida se
introduce el sensor en la solución de pH = 7 de igual forma se deja que se estabilice y se
toma el valor de voltaje generado (ver figura 5.3), como la calibración se realiza por medio de
software y no de hardware, las soluciones patrón se pueden medir de forma indistinta ya sea
primero la solución de pH = 4 o la de pH = 7.
Figura 5.3: Calibración de pH
Capítulo 5 Calibración de sensores
59
En la figura 5.4 se muestra la regresión lineal de estos valores de voltaje obtenidos.
Figura 5.4: Regresión lineal del pH
Debido a que el sensor de pH tiene un desgaste por uso y por antigüedad se debe hacer
esto cada vez que se vaya a utilizar el sensor.
Para esta calibración dio la siguiente ecuación:
pH = -60*voltaje_electrodo + 232.9
Donde:
pH: es el pH que se desea medir
Voltaje_electrodo: Es el voltaje generado por el electrodo y que es acoplado por los
amplificadores operacionales.
Capítulo 5 Calibración de sensores
60
5.3 Sensor de absorbancia
Para la calibración del medidor de absorbancia, primero se buscan colorantes que tengan
una longitud de onda igual o cercana a la longitud de onda de los LEDS (ver tabla 4.1), para
ello se preparan concentraciones de 100 ppm de cada colorante a analizar, y en seguida se
hacen diluciones a 20ppm, éstas se introducen en un espectrofotómetro para hacer un
barrido en el espectro visible y así encontrar la longitud de onda dominante de cada
colorante. Y poder hacer comparaciones con las longitudes de onda de los LEDS.
Cuando se tienen los colorantes deseados (ver tabla 5.2), se hacen más diluciones a partir
de las concentraciones de 100ppm, estas diluciones son de 5, 10, 15, 20, 25, 30 y 35ppm.
Tabla 5.2: Longitud de onda de colorantes
color Longitud de onda (nm)
Amarillo vegetal 420
Naranja II 450
Gris 560
Verde oscuro 600
Azul 620
Las concentraciones de cada colorante se introducen una por una en el espectrofotómetro,
para contar con un patrón exacto de medida, y para determinar la absorbancia de cada
dilución (las lecturas se realizan por triplicado). De los resultados de absorbancia se calcula
la media y la desviación estándar, y con la media se realiza una regresión lineal.
Con las mismas concentraciones se realiza el mismo paso anterior, pero con el medidor de
absorbancia construido y se toman los valores de voltaje obtenidos con cada dilución. Los
valores son graficados y se obtiene una regresión lineal. Para obtener una curva de
calibración se utilizó la regresión lineal del espectrofotómetro y del medidor de absorbancia,
para tener una relación absorbancia-voltaje [19].
Capítulo 5 Calibración de sensores
61
A continuación se presenta la gráfica de calibración para la longitud de onda de 450nm, con
el medidor de absorbancia (figura 5.5) y con el espectrofotómetro (figura 5.6). Para ello se
utilizó el color naranja II.
Se puede observar que en el cambio de 10 a 20 ppm, corresponde un incremento
proporcional de 10 milivolts. Este pequeño incremento esta dentro de la resolución del ADC
del microcontrolador que es de 4.88 milivolts.
Figura 5.5: Gráfica medidor de absorbancia.
La regresión lineal del voltaje contra la concentración, del medidor de absorbancia es la
siguiente:
V = 0.00102*C + 4.55249
Capítulo 5 Calibración de sensores
62
Figura 5.6: Gráfica del espectrofotómetro.
La regresión lineal de la absorbancia contra la concentración del espectrofotómetro, es la
siguiente:
A = 0.03706*C + 0.05551
Despejando concentración de la ecuación del medidor de absorbancia se tiene:
Y sustituyendo la concentración en la ecuación del espectrofotómetro, se tiene lo siguiente:
Esta ecuación se introduce en el programa de la interfaz gráfica, para que el usuario
seleccione la ecuación correspondiente a la longitud de onda de trabajo. Las calibraciones
correspondientes a las longitudes de onda de la tabla 3 se pueden revisar en el Apéndice C.
Capítulo 6 Pruebas y resultados
64
En este capítulo se presentan las pruebas realizadas en el biorreactor, así como los
resultados obtenidos de las mismas.
6.1 Prueba mecánica del biorreactor (decoloración)
Esta prueba se realizó con colorante Naranja II con una concentración de 25 ppm en 3 litros
de agua con buffer de pH = 6, con 2.5% de biomasa libre del hongo Trametes versicolor.
Se midió la decoloración por 10 horas, sacando muestra cada hora y midiendo la
absorbancia con el espectrofotómetro del CEIB a 450nm. Debido que pasaba mucha
biomasa al medidor de absorbancia del biorreactor. Las muestras fueron centrifugadas y no
centrifugadas.
Los resultados obtenidos de la evolución de la degradación del colorante naranja II se
presentan en la figura 6.1, donde se obtuvo un valor de absorbancia de 1.05 al inicio y uno
de 0.55 al final de la prueba. Se puede observar que la mayor degradación se alcanza
durante las primeras 3 horas.
Existe un pequeño desfasamiento entre la muestra centrifugada y no centrifugada, debido a
las pequeñas partículas de biomasa que se encuentran en el fluido.
Figura 6.1: Degradación biológica del colorante Naranja II
Capítulo 6 Pruebas y resultados
65
6.2 Prueba biorreactor y sensores
La prueba se realizó utilizando 3 L de colorante artificial, con el colorante Naranja II a pH = 6
y temperatura ambiente. Para evaluar los sensores de temperatura, pH y absorbancia. Se
utilizaron concentraciones de 10 ppm hasta llegar a las 100 ppm. Se utiliza el LED de
longitud de onda de 420nm.
El programa se inicializó para que empezara a guardar datos cada 10 minutos, y que los
almacenara por un minuto. En cada archivo se muestrearon 233 datos por sensor, de estos
datos se calculó el promedio de medición por lote de muestreo (ver Apéndice E) y se
graficaron los promedios de cada sensor.
Bajo las condiciones anteriores el resultado de la prueba biorreactor y sensores se presenta
a continuación.
En la (figura 6.2) se muestra la evolución de la temperatura con respecto a la concentración,
donde se obtuvo un valor mínimo de 25.74 ºC y un máximo de 26.84 ºC, dando una
diferencia de 1.1 ºC. Por lo que se puede decir que la concentración no tiene efecto sobre la
temperatura.
En la (figura 6.3) se observa la evolución del pH con respecto a la concentración, donde se
obtuvo un valor mínimo de 5.80 pH y un máximo de 6.75 pH, con lo que se tiene una
diferencia de 0.95 pH. Teniendo esto en cuenta se puede decir que la concentración no tiene
efecto sobre el pH.
En la (figura 6.4) se presenta la evolución de la absorbancia con respecto a la concentración.
Se observa claramente que la absorbancia se mantiene proporcionalmente con la
concentración y que ha 80 ppm el sensor permite obtener una recta donde la pendiente es
lineal.
Capítulo 6 Pruebas y resultados
66
Figura 6.2: Efecto de la concentración del colorante Naranja II sobre la temperatura.
Figura 6.3: Efecto de la concentración del colorante Naranja II sobre el pH.
Capítulo 6 Pruebas y resultados
67
Figura 6.4: Efecto de la concentración del colorante Naranja II sobre la absorbancia.
6.3 Prueba biorreactor, durante el cultivo y monitoreo de sensores
En esta prueba se preparó colorante naranja II con una concentración de 25 partes por
millón (ppm) en 3 litros de agua con buffer de pH = 6. Para favorecer la degradación se
introdujo una carga mayor de biomasa libre del hongo Trametes versicolor de 7.5%, antes
se había usado 2.5%.
En las condiciones de experimentación antes mencionadas durante el cultivo con el hongo.
Se presentan los resultados de la determinación de cada parámetro.
En la (figura 6.5) se presenta la evolución de la temperatura durante el cultivo. Se observa un
incremento en la temperatura de 27.97 ºC a 31.17 ºC, lo que indica que el hongo esta
metabólicamente activo. Ya que un incremento en la cantidad de calor, evaluada como de
temperatura.
En la (figura 6.6) se presenta la evolución del pH. Se observa que en las primeras 3 horas
hay un descenso del pH, que corresponde también al decremento de coloración,
posteriormente se incrementa para permanecer cercano al valor inicial, dado que se introdujo
una solución amortiguada, no obstante, a partir de las 8 horas nuevamente decrece. Siendo
Capítulo 6 Pruebas y resultados
68
esto cuando se finaliza el proceso de degradación. El valor máximo de pH durante este
prueba fue de 6.82 pH y el valor mínimo de 5.51 pH, dando una diferencia de 1.31 pH.
En la (figura 6.7) se observa la evolución de la absorbancia en el cultivo, siendo la mayor
decoloración a las 3 horas, de una absorbancia de 1.0 a una de 0.41. A las 14 horas se
obtuvo una absorbancia final de 0.035. Las muestras medidas con el espectrofotómetro del
CEIB y el medidor de absorbancia son muy parecidas recordando el desfasamiento que
existe por centrifugar la muestra.
En la figura 6.8a se muestra el colorante con la biomasa dentro del reactor en el tiempo cero
y en la figura 6.8b se observa después de cuatro horas del proceso. También se muestra
una comparación del colorante en el tiempo cero figura 6.9a y a las 24 horas ver (figura
6.9b). Se puede observar la biomasa introducida al biorreactor en la figura 6.10.
Figura 6.5: Evolución de la temperatura en el proceso de degradación del colorante Naranja II
Capítulo 6 Pruebas y resultados
69
Figura 6.6: Evolución del pH en el proceso de degradación del colorante Naranja II
Figura 6.7: Evolución de la absorbancia en el proceso de degradación del colorante Naranja II
Capítulo 6 Pruebas y resultados
70
(a) (b)
Figura 6.8: a) Reactor al tiempo 0 y b) reactor después de 4 horas
Figura 6.9: a) Colorante termino de la prueba b) Colorante al inicio de la prueba.
Capítulo 7 Conclusiones y recomendaciones
73
7.1 Conclusiones
La experimentación permitió determinar los parámetros más importantes en la degradación
biológica del colorante. Y determinar que el hongo Trametes versicolor degrada 90% en 12
horas aproximadamente, utilizando la biomasa libre, así mismo permitió el diseño del
prototipo.
Para inmovilizar el hongo se requirió de mayor tiempo para preparar al biocatalizador, pero
se tiene la ventaja de incrementar la vida útil del biocatalizador. No obstante se debe
seleccionar otro soporte adecuado evitando que se dañe el hongo durante el proceso y
reducción de sólidos provenientes del soporte.
La inmovilización permitió incrementar el tiempo de uso de la biomasa sin que se dañe,
evitando su remplazo en el corto plazo y se pueden realizar procesos de forma continua.
La estructura diseñada y construida para el biorreactor fue sencilla, de bajo costo, y flexible
para diferentes diámetros de biorreactor.
En cuanto al diseño y construcción del biorreactor airlift fue satisfactorio ya que el material
PVC hidráulico utilizado para la construcción del biorreactor fue económico y funcionó de
forma adecuada para la decoloración del agua coloreada, así como también no hubo
absorción de colorante en sus paredes.
El funcionamiento del módulo electrónico diseñado para la adquisición y el
acondicionamiento de las señales, resultó satisfactorio para los sensores de temperatura, pH
y absorbancia.
El medidor de absorbancia desarrollado y construido fue de bajo costo, ya que funciona por
medio de diodos emisores de luz (LEDs), un motor de pasos unipolar y una fotorresistencia.
En cuanto a la medición de la absorbancia con este dispositivo construido funcionó de forma
adecuada para el colorante naranja II. Pudiendo calibrarse para otro tipo de colorantes que
estén cerca de la longitud de onda de los LEDs utilizados para el diseño del medidor de
absorbancia.
Se desarrolló una interfaz gráfica en LabView 8.2 amigable para el uso de cualquier persona.
Además comunica el módulo electrónico con la computadora para el almacenamiento de
datos proveniente de los sensores mencionados.
Capítulo 7 Conclusiones y recomendaciones
74
El no usar lenguaje ensamblador en la programación del microcontrolador no afectó el
funcionamiento del mismo, su velocidad de transmisión por el puerto serie fue excelente con
programación en lenguaje de alto nivel (BASIC).
La experimentación con el prototipo permitió conocer que el pH y la temperatura no
dependen de la concentración del efluente, no obstante la absorbancia si es proporcional a
los cambios en la concentración. Teniendo un comportamiento lineal hasta una
concentración de 80 ppm.
Se puede también observar en estos experimentos realizados con el prototipo que existe un
aumento en la temperatura de 4 grados cuando esta el proceso de degradación, lo que
indica que el hongo esta metabólicamente activo. Así mismo existe una variación en el pH
del efluente en las primeras 3 horas, que corresponde a la mayor degradación del colorante.
En cuanto a las mediciones de absorbancia en el biorreactor fueron muy parecidas a las
mediciones realizadas en el espectrofotómetro del CEIB (teniendo en cuenta que las
medicines en el biorreactor no se pueden centrifugar).
Se cumplió con el desarrollo de un equipo mecatrónico como se esperaba, se integraron
conocimientos de mecánica, computación, electrónica y aspectos biológicos.
Capítulo 7 Conclusiones y recomendaciones
75
7.2 Recomendaciones
Las recomendaciones que se presentan a continuación, son posibles mejoras al biorreactor
para trabajos a futuro.
Implementar un control a las variables que intervienen en el proceso (pH, temperatura
y absorbancia).
Probar un fotodiodo para espectro visible como elemento detector de intensidad
luminosa para el medidor de absorbancia.
Hacer que el medidor de absorbancia se pueda acoplar a otros biorreactores.
Implementar otras técnicas de filtrado para evitar que la biomasa llegue al medidor de
absorbancia.
Probar el funcionamiento del biorreactor con otros materiales como pueden ser:
Vidrio, acero inoxidable, acrílico y PVC transparente.
76
Referencias
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Dirección: http://www.monografias.com/trabajos16/contaminacion-textil/contaminacion-textil.shtml. Fecha de consulta: 20 de marzo de 2008.
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bacterias y su potencial uso para el tratamiento de aguas residuales. Tesis, maestro en biotecnología. Universidad Autónoma del Estado de Morelos, CEIB, Marzo 2006.
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Dirección: http://www.asturnatura.com/especie/trametes-versicolor.html Fecha de consulta: 20 de marzo de 2008.
[4] Rodríguez Arévalo, A.C., Cabrera Llanos, A.I. Valencia Flores, J.I. Diseño y
construcción de los instrumentos de medición para un biorreactor prototipo. Instituto Politécnico Nacional. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología. Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica, Marzo 2003.
[5] Eliane Guevara López. Tesis licenciatura. Diseño, construcción y caracterización
hidrodinámica de un biorreactor multifuncional. Ingeniero en alimentos, Universidad tecnológica la mixteca, Diciembre 2004.
[6] Ordorica Vargas Carlos, Gutiérrez López Gustavo, Sansón Ortega Leticia,
Chanona Pérez Jorge. Diseño y simulación de un fermentador tipo airlift. Instituto Politécnico Nacional. Departamento de Graduados e Investigación en Alimentos.Taller de herramientas de cálculo en ingeniería de alimentos - IV.
[7] Dr. Luis Basáez R. ¿QUÉ ES EL pH?: FORMAS DE MEDIRLO.
Revista Ciencia ahora No 23. Universidad de Concepción Facultad de Ciencias Químicas, 2009.
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XIII Seminario de Ing. Biomédica. Facultades de Medicina e Ingeniería, Junio 2004. [9] Página de internet: Medida del pH
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Dirección: http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura. Fecha de consulta: 14 de noviembre 2009.
77
[11] W. Bolton. Mecatrónica, sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica. 3ª edición. Alfa omega, Febrero 2006.
[12] Página de Internet: Absorbancia Dirección: http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Beer-Lambert Fecha de consulta: 20 de marzo de 2008. [13] Página de internet: Espectrofotómetro Dirección: www.frlp.utn.edu.ar/grupos/aepeq/equipos.pps Fecha de consulta: 22 de marzo de 2008.
[14] Página de internet: Fotorresistencia Dirección: http://es.wikipedia.org/wiki/Fotorresistencia Fecha de consulta: 3 de enero 2009. [15] Página de internet: LED Dirección: http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_emisor_de_luz Fecha de consulta: 19 de mayo de 2009. [16] Hoja de datos: Microcontrolador PIC16F877A.
Fabricante: Microchip. [17] Página de internet: Puente de Wheatstone con NTC y LDR
Dirección: www.isaatc.ull.es/asignaturas/inst_quimica/.../Practica%201.doc Fecha de consulta: 3 de septiembre 2009.
[18] Hoja de datos: AD594 Fabricante: Analog Devices.
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[20] Luis Frino. Compilador PicBasic Pro. [21] Carlos A. Reyes. Aprenda rápidamente a programar microcontroladores
PIC. 2ª edición. Rispergraf.
[22] Aida M. Romero Jiménez, M. Sc. Alina S. Rodríguez García, M. Sc. Ma Rafaela Pérez Marchena. Pleurotus ostreatus. Importancia y tecnología de cultivo. Universidad de Cienfuegos, Grupo de nutrición.
[23] Página de internet: Escalamiento de biorreactores Dirección: https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2004/1/BT52A/1/material.../35722. Fecha de consulta: 15 de agosto 2009.
86
Anexo B Diseño tarjeta electrónica
Construcción de la tarjeta electrónica
En este apéndice se describen por separado los circuitos realizados para el monitoreo y/o
control del biorreactor.
Circuito microcontrolador
Para el funcionamiento del microcontrolador PIC16F877A se utiliza la configuración con
oscilador externo de rango medio (XT), con un cristal externo de 4MHz y capacitores de
22pF. Se utiliza un push button para el reset del microcontrolador ver figura C1, la
alimentación se realiza con 5V.
87
Figura C1: Circuito microcontrolador
Circuito medidor de temperatura
Para acondicionar la señal de salida del termopar tipo K se utilizo el siguiente circuito
mostrado en la figura C2, donde la parte de amplificación, linealización y compensación de
punta fría la realiza el circuito integrado AD594, la alimentación de este circuito es de 5V, la
salida hacia el ADC del microcontrolador es la unión de los pines 8 y 9 del integrado.
88
Figura C2: Circuito medición de temperatura
Circuito medición de absorbancia
Para medir la absorbancia se utilizó una fotorresistencia de 1MΩ como elemento detector de
cambio de luz, para aumentar la sensibilidad y linealización del circuito se construyó una
variante del puente de wheatstone linealizado. Se utiliza el amplificador operacional LM741
en configuración diferencial. Este circuito amplifica la diferencia entre las señales que hay en
sus entradas. En este caso, esta diferencia es lo que se llama Vout del puente. Se utilizan tres
resistencias de precisión de 1KΩ y la resistencia variable es la fotorresistencia que se
conecta en el pin no inversor y la terminal de salida como se muestra en la figura C3.
89
Figura C3: Circuito medición de absorbancia
La fórmula de linealización del puente es la siguiente:
Donde V0 es el voltaje de salida.
Como todas las resistencias son iguales la formula queda de la siguiente forma:
Donde ∆R es el cambio de la fotorresistencia a las diferentes intensidades de luz.
Donde 950Ω es el valor de la resistencia con luz total, por lo tanto el voltaje de salida es de.
90
Circuito pH
Para el circuito de pH, se utiliza un amplificador con entrada MOSFET (CA3130) y salida
CMOS con una impedancia de entrada de hasta 1.5 TΩ (1.5x10^12Ω), se configura el
amplificador como inversor, esta salida se conecta a un amplificador con entrada JFET
(TL084), donde se utilizan tres seguidores de voltaje para ajustar las impedancias que
entraran al ADC del microcontrolador. Se utiliza filtro paso bajos para disminuir el ruido, el
circuito final para medir pH se muestra en la figura C4.
91
Figura C4: Circuito medición de pH
Circuitos complementarios
Se realizaron circuitos complementarios para la medición de absorbancia, como es para el
control de movimiento del motor de pasos, y para encender los leds correspondientes a cada
posición.
Para el control de movimiento del motor de pasos se utilizaron 4 transistores BC548
configurado como interruptor, el microcontrolador satura la base de cada transistor conforme
92
se posiciona el motor de pasos, el colector se alimenta con 5V y el emisor se conecta a la
base de transistores TIP141, en el colector de estos se conectan las bobinas del motor de
pasos, y el emisor se conecta a tierra.
Para encender los leds se utilizaron 8 resistencias 150 Ω, conectadas al microcontrolador,
éste manda 5 volts al led que se requiera encender, después del posicionamiento del motor
de pasos.
En la siguiente figura se muestra el circuito general de la tarjeta electrónica.
Figura C5: Circuito general del biorreactor
93
Anexo C Calibración sensor de absorbancia
Se muestran las graficas obtenidas para la calibracion del medidor de absorbancia para
diferentes colorantes cercanos a la longitud de onda de los LEDs. Tambien se muestran las
formulas introducidas en la interfaz gráfica.
Gris espectrofotómetro
Figura: Datos de calibración del espectrofotómetro
94
Figura: Regresión lineal de la media del espectofotómetro.
Gris medidor de absorbancia
Figura: Datos de calibración medidor de absorbancia.
95
Figura: Regresión lineal media del medidor de absorbancia
La ecuación de calibración para el color gris, con una longitud de onda de 560nm, utilizando
los valores del espectrofotómetro y el medidor de absorbancia es.
96
Verde espectrofotómetro.
Figura: Datos de calibración del espectrofotómetro.
Figura: Regresión lineal del espectrofotómetro
97
Verde medidor de absorbancia
Figura: Datos de calibración medidor de absorbancia
Figura: Regresión lineal de la media del medidor de absorbancia
98
La ecuación de calibración para el color verde, con una longitud de onda de 600nm,
utilizando los valores del espectrofotómetro y el medidor de absorbancia es.
Azul espectro
Figura: Datos de calibración del espectrofotómetro
99
Figura: Regresión lineal del espectrofotómetro
Azul medidor de absorbancia
Figura: Datos de calibración del medidor de absorbancia
100
Figura: Regresión lineal de la media del medidor de absorbancia
La ecuación de calibración para el color azul, con una longitud de onda de 620nm, utilizando
los valores del espectrofotómetro y el medidor de absorbancia es.
101
Anexo D Programa Microcontrolador
include "modedefs.bas" define ADC_BITS 10 trisb=%00000010 trisc=%00000000 ADCON1=%10000000 portb=%00000000 portc=%00000000 delay var byte cont var byte delay2 var byte dat var byte dat2 var byte x var byte x1 var byte y var byte y1 var Byte z var byte z1 var byte a VAR BYTE a1 var byte led var portb.2 delay=1000 delay2=5000 goto inicio bomba: high portd.2 serin portb.1,N9600,dat if dat="u" then ADC goto bomba valvulas_cerrada: high portd.0 high portd.1 serin portb.1,N9600,dat if dat="v" then valvulas_abierta if dat="r" then inicio goto valvulas_cerrada valvulas_abierta: low portd.0
102
low portd.1 serin portb.1,N9600,dat if dat="r" then inicio if dat="q" then valvulas_cerrada goto valvulas_abierta absorbancia: serin portb.1,N9600,dat if dat="a" then verde_vue if dat="b" then azul_vue if dat="c" then amarillo_vue if dat="d" then violeta_vue if dat="e" then naranja_vue if dat="f" then led1_vue if dat="g" then led2_vue if dat="h" then verde_ida if dat="i" then azul_ida if dat="j" then amarillo_ida if dat="k" then violeta_ida if dat="l" then naranja_ida if dat="m" then led1_ida if dat="n" then led2_ida if dat="o" then ledr_prend if dat="p" then ledr_apag if dat="u" then ADC goto absorbancia ;led verde verde_ida: low portc.0 portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%00010000 pause delay portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%00100000 goto absorbancia verde_vue: pause delay2 portb=%00010000 pause delay portb=%00100000
103
pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%10000000 pause delay portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%01000000 high portc.0 goto absorbancia ;led azul azul_ida: low portc.1 for cont=1 to 3 portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%00010000 pause delay next goto absorbancia azul_vue: for cont=1 to 3 portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%10000000 pause delay next portb=%00010000 high portc.1 goto absorbancia ;led amarillo amarillo_ida: low portc.2 for cont=1 to 5 portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay
104
portb=%00100000 pause delay portb=%00010000 pause delay next pause delay goto absorbancia amarillo_vue: for cont=1 to 5 portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%10000000 pause delay next pause delay high portc.2 goto absorbancia ;led violeta violeta_ida: low portc.6 for cont=1 to 6 portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%00010000 pause delay next goto absorbancia violeta_vue: for cont=1 to 6 portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%10000000 pause delay next portb=%00010000
105
high portc.6 goto absorbancia ;led naranja naranja_ida: low portc.4 portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%10000000 pause delay portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay goto absorbancia naranja_vue: portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%00010000 pause delay portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay high portc.4 goto absorbancia led1_ida: low portc.5 for cont=1 to 3 portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%10000000 pause delay next portb=%00010000 pause delay portb=%00100000
106
pause delay portb=%00010000 pause delay goto absorbancia led1_vue: for cont=1 to 3 portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%00010000 pause delay next portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%00100000 pause delay high portc.5 goto absorbancia led2_ida: low portc.3 for cont=1 to 4 portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%10000000 pause delay next portb=%00010000 pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%01000000 pause delay goto absorbancia led2_vue: pause delay2 for cont=1 to 4 portb=%10000000 pause delay portb=%01000000
107
pause delay portb=%00100000 pause delay portb=%00010000 pause delay next portb=%10000000 pause delay portb=%01000000 pause delay portb=%00100000 Pause delay high portc.3 pause delay2 goto absorbancia ledr_prend: high portc.7 pause delay2 goto absorbancia ledr_apag: low portc.7 pause delay2 goto absorbancia ADC: LOW portb.3 low portd.2 high led Pause 100 Goto inicio_adc getad: Pauseus 50 ADCON0.2 = 1 Pauseus 50 Return getx: ADCON0=%01000001 Gosub getad x1= ADRESL x = ADRESH Return gety: ADCON0=%01001001 Gosub getad y1=ADRESL y = ADRESH
108
Return getz: ADCON0=%01010001 Gosub getad z1= ADRESL z = ADRESH Return getzz: ADCON0=%01011001 Gosub getad a1= ADRESL a = ADRESH Return inicio_adc: serin portb.1,N9600,dat if dat="r" then inicio if dat="w" then bomba Gosub getx serout portb.0,N9600,[x1] serout portb.0,N9600,[x] Gosub gety serout portb.0,N9600,[y1] serout portb.0,N9600,[y] Gosub getz serout portb.0,N9600,[z1] serout portb.0,N9600,[z] Gosub getzz serout portb.0,N9600,[a1] serout portb.0,N9600,[a] Pause 175 pauseus 450 Goto inicio_adc inicio: portb=%00000000 low led serin portb.1,N9600,dat if dat="s" then absorbancia if dat="t" then ADC if dat="q" then valvulas_cerrada goto inicio end