Sensores de temperatura en biorreactores de alimentación por lotes para la estimación de la tasa de crecimiento

En la imagen, dos sensores de temperatura en biorreactores miden la temperatura del medio de enfriamiento de entrada y salida con un cultivo de Escherichia coli que produce una proteína recombinante. Un tercer sensor mide la temperatura de un cultivo dentro del biorreactor.

Las señales se utilizan en un conjunto de balances energéticos para estimar en línea la tasa de crecimiento específica durante toda la fase de alimentación por lotes. La alimentación de medios se controla a partir del valor estimado de 𝜇 en relación con un valor establecido de 𝜇. La figura muestra un detalle de un diagrama de control donde la alimentación se ajusta mediante un controlador PI para mantener el valor de 𝜇.

La estimación de 𝜇 puede convertirse fácilmente en concentración de biomasa. La ventaja de esta configuración es que la instrumentación con sensores de temperatura en biorreactores ya está presente; solo es necesario adquirir las señales e implementar el algoritmo.

La desventaja de este enfoque es que no solo el crecimiento genera calor en un cultivo de biorreactor, sino también la agitación, la aireación y la titulación. En consecuencia, esto debe compensarse correctamente. Si el calor metabólico es pequeño, la precisión se ve afectada.

Aplicando un filtrado secuencial de señales digitales, el sensor virtual se volvió más robusto para la práctica industrial con cultivos que generan bajo calor metabólico en entornos con niveles elevados de ruido. La señal estimada de la tasa de crecimiento específica obtenida a través del filtro secuencial de tres etapas permitió la alimentación controlada del sustrato durante la fase de alimentación por lotes del proceso de producción.

Las estimaciones de biomasa y tasa de crecimiento del sensor virtual también se compararon con una sonda de sensor en línea de capacitancia para las mismas variables. La comparación mostró una sensibilidad similar o mejor y una menor variabilidad para el sensor virtual de calor metabólico, lo que sugiere que el uso de sensores de temperatura en biorreactores permanentes, es una alternativa realista y económica para la monitorización y el control. Sin embargo, ambas alternativas son fáciles de implementar tanto en un sensor virtual solo como en paralelo.

Así, el estudio demuestra cómo el modelo de estimación puede implementarse como un sensor virtual en un software estándar de control de computadora, en paralelo con otras funciones de sensores virtuales, demostrando así un alto grado de operabilidad en entornos típicos de laboratorio o producción a pequeña escala.

Los resultados también muestran que el modelo del sensor virtual con la función de filtrado es comparable, e incluso mejor, que los sensores de hardware en línea alternativos para la concentración de biomasa y la tasa de crecimiento específica.

Titulación ácida-base para estimar la tasa de crecimiento en un biorreactor por lotes.

Se asume que existe una correlación directa entre la producción de H+ (iones hidrógeno) por parte de las células y el crecimiento. Por lo tanto, se registra el tiempo de funcionamiento de la bomba y la señal del electrodo de pH para el cultivo. Un algoritmo sencillo convierte las señales en biomasa. Si la suposición es correcta y no ocurren otros procesos generadores de H+ en el cultivo, la relación se mantiene.

Sin embargo, si el medio tiene una composición desconocida de aminoácidos, la correlación es más compleja. El ejemplo en la figura se toma de un cultivo donde el medio está definido. La correlación entre la muestra de referencia de biomasa y las estimaciones es alta en la región investigada. Nuevamente, la ventaja con el sensor virtual es que no se requiere ninguna instrumentación auxiliar; el sensor virtual se implementa directamente utilizando las señales existentes en un algoritmo agregado en el software de control del sistema del biorreactor.

El estudio se amplió con sensores de temperatura en biorreactores virtuales adicionales basados en datos en línea estándar de procesos de fermentación y modelos para otras variables de estado en procesos de alimentación por lotes de E. coli: la concentración de biomasa, la tasa de crecimiento específica, la capacidad de transferencia de oxígeno del biorreactor y el nuevo sensor RO/S, que es la relación entre el consumo de oxígeno y el sustrato energético. La variable RO/S crece continuamente en un cultivo de alimentación por lotes con alimentación constante de glucosa, lo que refleja la creciente demanda de mantenimiento con una tasa de crecimiento específica decreciente. El sensor RO/S también respondió a cambios rápidos en el pH, reflejando la creciente demanda de energía para el mantenimiento. Se sugiere que este sensor puede utilizarse para monitorear el grado de estrés fisiológico que demanda energía para la supervivencia.

Este estudio muestra que modelos simples pueden ser utilizados para obtener información adicional a partir de las variables estándar registradas en el proceso de fermentación. Las aplicaciones pueden ser tanto para la caracterización del proceso fuera de línea, como en este estudio, o para el control de retroalimentación en línea. Esto último aumenta la demanda de datos de medición primarios o la necesidad de filtrado de datos en línea. Los sensores pueden ser bastante sensibles a errores en los datos de entrada bajo ciertas condiciones, pero esto genera un error sistemático en los valores de salida y no debería impedir su uso para monitorear cambios en el rendimiento del proceso.

Fuente original Aquí Sensores de temperatura en biorreactores de alimentación por lotes para la estimación de la tasa de crecimiento