Monitorización y control en línea de los parámetros de fermentación (pH, oxígeno disuelto, temperatura, velocidad de agitación) durante el proceso de fermentación biológica.

Introducción

Fermentación biológica La fermentación es un proceso biológico ampliamente utilizado en campos como la alimentación, la industria farmacéutica y la química. Su esencia radica en sintetizar productos específicos mediante la utilización de la actividad metabólica de microorganismos en condiciones particulares. El éxito del proceso de fermentación está estrechamente relacionado con la regulación precisa del entorno de cultivo. Para aumentar el rendimiento del producto, acortar el ciclo de fermentación y garantizar la estabilidad de la calidad, es necesario realizar un monitoreo en tiempo real y un control automático de los parámetros de fermentación. Este artículo se centra en analizar los métodos de monitoreo en línea y las estrategias de control de varios parámetros clave en el proceso de fermentación biológica: pH, concentración de oxígeno disuelto (OD), temperatura y velocidad de agitación, así como su importancia en aplicaciones industriales prácticas.

I. Monitoreo y control en línea del pH

1. La importancia del pH

El pH es un parámetro importante que afecta el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Estos presentan un rango de pH óptimo. Tanto un pH excesivamente ácido como uno excesivamente alcalino pueden afectar la actividad enzimática, la permeabilidad de las membranas celulares y las tasas metabólicas. Por ejemplo, el pH óptimo para las bacterias lácticas oscila entre 5,5 y 6,0. Durante la fermentación de la penicilina, lo ideal es mantener el pH entre 6,5 y 7,5.

2. Métodos de monitoreo en línea

La monitorización en línea del pH se basa principalmente en sensores de pH de tipo electrodo, cuyo núcleo es un sistema de detección de diferencia de potencial compuesto por un electrodo de vidrio y un electrodo de referencia. Los sensores de pH modernos incorporan compensación automática de temperatura y protección contra la contaminación, lo que permite una medición estable a largo plazo.

3. Estrategia de control

El control del pH se suele lograr mediante un sistema automático de adición de ácido/álcali. El controlador ajusta automáticamente la bomba peristáltica o la electroválvula en función de la diferencia entre el valor establecido y el valor medido en tiempo real para añadir gota a gota una solución ácida (como HCl) o alcalina (como NaOH). Los algoritmos de control más utilizados incluyen:

• Control PID (proporcional-integral-derivativo)
• Control difuso (aplicable a reacciones no lineales)
• Control segmentado (valores de configuración en varias etapas)

Sistema de fermentación de tipo producción MIKEBIO 100T para Bacillus

II. Monitoreo y control en línea del oxígeno disuelto (OD).

1. El papel del DO

El oxígeno es el sustrato respiratorio más importante en el proceso de fermentación aeróbica. Un valor de oxígeno disuelto (OD) demasiado bajo provoca que el metabolismo de los microorganismos se desvíe hacia una vía anaeróbica, generando subproductos y reduciendo el rendimiento. Un exceso de OD puede causar toxicidad por oxígeno o desperdicio de energía. Por lo tanto, el control del OD es particularmente importante para la fermentación de alta densidad.

2. Tecnología de monitoreo en línea

La detección en línea de DO se puede dividir en dos tecnologías principales:

Método del electrodo de Clark: Una técnica clásica de electrodo de oxígeno que calcula la concentración de oxígeno disuelto midiendo la corriente.

Método de extinción de fluorescencia (sensor óptico de oxígeno disuelto): Basado en el efecto de extinción de materiales fluorescentes sobre el oxígeno, se caracteriza por su alta sensibilidad, respuesta rápida, funcionamiento sin mantenimiento y es adecuado para la fermentación a largo plazo.

3. Medidas de control

El control del oxígeno disuelto se puede lograr mediante los siguientes medios:

• Ajuste de la velocidad de agitación: Aumente la velocidad de agitación para favorecer la mezcla gas-líquido y mejorar la tasa de transferencia de oxígeno.
• Regulación del volumen de ventilación: El suministro de aire u oxígeno puro se controla mediante un caudalímetro.
• Suplementación con oxígeno puro: Se utiliza con frecuencia en la fermentación de alta densidad para prevenir la insuficiencia de oxígeno disuelto.
• Estrategia de control de enclavamiento: como el enclavamiento bidireccional de "agitación - ventilación" para mantener un oxígeno disuelto constante.

Un sistema de control típico adopta una estrategia de control jerárquica, priorizando el ajuste de la agitación, seguido de la ventilación, y solo al final se inicia el suministro de oxígeno puro.

III. Monitoreo y control de temperatura en línea

1. El papel de la temperatura en la fermentación

La temperatura es un factor importante que afecta la actividad enzimática, la tasa metabólica y la permeabilidad de la membrana celular de los microorganismos. Las temperaturas requeridas en cada etapa del proceso de fermentación varían, por lo que se debe establecer una curva de control de temperatura adecuada según las características de la cepa. Por ejemplo, lo más apropiado es controlar la temperatura a 28 °C durante la fermentación de productos de Streptomyces.

2. Monitoreo en línea y equipos

El control de la temperatura suele emplear termopares (como los de tipo K) o resistencias térmicas (como las de Pt100), que se instalan dentro del tanque de fermentación, y la recopilación de datos se realiza a través del sistema de control de la fermentación.

3. Modo de control

El sistema de control de temperatura realiza las funciones de calefacción y refrigeración mediante una camisa de agua de refrigeración o un calentador eléctrico. El sistema recopila datos de temperatura en tiempo real y se ajusta automáticamente tras compararlos con el valor establecido.

• Potencia de salida del calentador eléctrico
• Grado de apertura de la válvula de agua de refrigeración
• Control del flujo de vapor (grandes tanques industriales)

La mayoría de los sistemas de control modernos adoptan un control PID de lazo cerrado para garantizar la estabilidad de la temperatura.

IV. Monitoreo y control en línea de la velocidad de agitación

1. La función de agitar

• La agitación desempeña un triple papel en el proceso de fermentación:
• Favorecer la mezcla gas-líquido y mejorar la eficiencia de la transferencia de oxígeno;
• Distribución uniforme de la temperatura y los nutrientes;
• Evitar la sedimentación o el apelmazamiento de las células.

2. Métodos de control y medición

La velocidad de agitación se controla mediante un motor y un convertidor de frecuencia para lograr un ajuste continuo. La velocidad de agitación suele recibir información de un sensor de velocidad (como un codificador), y el controlador ajusta la señal de frecuencia según sea necesario.

3. Modo de control de enclavamiento

La velocidad de agitación suele estar vinculada al control del oxígeno disuelto (OD). Por ejemplo, cuando el OD disminuye, la velocidad de agitación aumenta automáticamente (hasta 600-1200 rpm) para mejorar la transferencia de masa de oxígeno. Si la agitación ha alcanzado el límite superior pero aún no se logra aumentar el OD, se debe cambiar a la estrategia de ventilación o suministro de oxígeno puro.

V. Sistema de control automático integrado

En la actualidad sistemas de fermentación biológicaEl monitoreo y control de varios parámetros se gestionan uniformemente a través de sistemas de control distribuido (DCS) o integrados. biorreactor plataformas de control. Estos sistemas incluyen:

• Módulos de sensores en línea (pH, oxígeno disuelto, temperatura, velocidad de rotación, etc.)
• Adquisición y control de señales (PLC, DCS, etc.)
• Estrategias de control (PID, lógica difusa, control adaptativo)
• Interfaz hombre-máquina (HMI): Gráficos en tiempo real, alarmas, registro de datos.

Al preconfigurar el diagrama de flujo del proceso, los operadores pueden intervenir en cada parámetro en tiempo real, o bien el sistema puede ejecutar automáticamente el control del programa para lograr un proceso de producción eficiente y repetible.

VI. Desafíos y tendencias de desarrollo

1. La estabilidad del sensor continuo en línea

Los electrodos tradicionales de pH y oxígeno disuelto son muy susceptibles a la contaminación y a la deriva, y requieren calibración periódica. En el futuro, la tecnología de sensores evolucionará hacia sistemas que no requieran mantenimiento, sean resistentes a la corrosión y altamente sensibles.

2. Integración de sistemas de control inteligentes

La introducción de tecnologías de inteligencia artificial y macrodatos en el proceso de fermentación para construir una fábrica de fermentación inteligente puede lograr un control predictivo, una optimización del proceso y una alerta temprana de fallos.

3. Optimización colaborativa multiparamétrica

El proceso de fermentación es un sistema multivariable, no lineal y dinámico. Las futuras estrategias de control se basarán cada vez más en algoritmos de control difuso multivariable o en el control predictivo basado en modelos (MPC) para lograr una optimización adaptativa integral del proceso.

Sistema de fermentación con biorreactor a escala piloto MIKEBIO para la nutrición de plantas.

Conclusión

El monitoreo y control en línea de los parámetros de fermentación es clave para garantizar el buen desarrollo del proceso de fermentación microbiana. Si bien el pH, el oxígeno disuelto, la temperatura y la velocidad de agitación son parámetros de control básicos, en conjunto determinan el estado de crecimiento celular y la velocidad de síntesis del producto. Con el desarrollo de la automatización industrial y la fabricación inteligente, la fermentación biológica del futuro dependerá cada vez más de tecnologías de control de procesos precisas, eficientes e inteligentes, impulsando así el progreso continuo de la industria biológica hacia una alta calidad, una alta eficiencia y un bajo consumo de energía.

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