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Mex¡cano Prop¡edad

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TITULO DE PATENTE NO.. 336733 AUTÓNOMA M ETROPOLITA!)IA,,

Titular(es):

u N rvERSr DAD

Domicilio:

Prolongación Canalde Miramontes Nq. SASS,'Colonia Ex - Hacienda San Juan de O¡os, t¿ggZ, Tlalpan, Distrito Federal, tr,tEXICO

Denominación:

srsrEMA DE REsptRotrlrrRín coN ADMlrulsrRnclóN REMoTA PARA EL MoNtroREo ex lf¡¡rA DE LA coNcENTRnclóN DE co2 Y 02 Y FLUJo DE Los cASES DE SALTDA EN pRocEsos etoLóclcos.

Glasificación:

lnt.Cl.8: C12Q1

lnventorlesl:

.Iesus GERARDO SAUCEDO CNSTNÑEON; ERNESTO FAVELA TORRES;

102, G01 N33/497

F La

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. 15t121999, reformado el O4l0212000,

Fecha de

--'

2910712004, 04/0812004

expedición:

y 1310912007).

22 de enero de 2016

LA DIRECTORA DIVISIONAL DE PATENTES

nci. NAHANNY GANAL REYES

Arenai No 550. Píso t, Col. Pueblo. Santa María Tepepan, Deiegacion Xochirnilcc. C.P 16C2C, Ciudad tie ft¡léxico Tel. (55) 53 34 C7 00 w'*w i.gipr q.qb,sil |

illillilillllll I ll lll lllll lllil llll lil | ll lll lllll lffi ililffi MXl2016/9583

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REsprRo*¡rnír co* ADMrNrsrRAc¡ór ne;;ffiHT MoNrroREo Er llnEA DE LA coNcENTRAcrór oe

MA DE

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EL

GOz

Y Oz Y FLUJO DE LOS cASES DE SALIDA

-%*!*;::

EN PROCESOS BIOLÓGICOS

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención está

10

relacionada con.

la industria de la

biotecnología, más específicamente con aquellos procesos biológicos en los que se requiere tener un monitoreo y control sobre la respiración de organismos y microrganismos e indirectamente de su crecimiento. I

15

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la industria de la biotecnología, el monitoreo y control de la respirometria de organismos y microorganismos es importante para medir la productividad y llevar a cabo la optimización y escalamiento

o20

de los procesos. La respirometrla en procesos biológicos como

la

fermentación en medio sólido y composteo es una técnica basada en la

y la producción de COz por la en el sustrato-soporte o en los

medición del consumo de oxfgeno Oz oxidación de las hexosas presentes

medios de cultivo con los que son impregnados los soportes inertes por 25

parte de microorganismos. La medición del consumo de Oe y producción

Tj}ffifirTi

Á.{.rllt ii:'i_l ¡

I'JSTfii, Tü l.i

.,

:. ;l iC.rri'i C DE Ur i:iiOi]!ID¡\.D

IlJiiuiTiiii.L

2

de COz pueden ser usados como med idas indirectas del crecimiento

y

de la actividad fisiológica de los microorganismos durante los procesos biológicos (Pandey A. Solid-state fermentation. Eiochem. Eng. J.2003,

13:81-84).La medición del C0z también es importante para estimar la generación

de agua metabólica, la producción de biomasa y

la

generación de calor metabólico (Figueroa-Montero A.A. Modelamiento de la transferencia de calor y masa en un biorreactor de charolas para fermentación en medio sólido. Tesis para obtener

el grado de doctor.

Universidad Autónoma Metropolitana Unidad lztapalapa. México, 2011l'. 10

En la fase gaseosa de los procesos aerobios, el Oz debe ser transferido

al medio donde se desarrolla la actividad microbiana y el

COz Y otros

gases que pueden ser inhibitorios deben ser removidos de los procesos

biológicos. Por tal motivo la aireación cumple con cuatro propósitos:

a)

b) remover el COz, c) regular la temperatura del sustrato u d) regular el nivel de humedad (Durand 4., mantener las condiciones aerobias,

15

de la Broise D., Blachere H. Laboratory scale bioreactor for solid state process. J. Biotechnol. 1998, 8:59-66). Desde hace años ha sido un reto encontrar un sistema de respirometría

Ozo

que cumpla las caracteristicas de ser un sistema que logre medir con precisión las concentraciones de C0z y 02, los esfuerzos por lograrlo se ven reflejados en los siguientes trabajos.

Con

2s

la finalidad de mejorar el

monitoreo

y control en linea de las

concentraciones de Oz y COz y la medición de fluio de la fase

grrror.

CS-E=-=:--

=:EE-'..=¡t-_-,r::i;-E=?_::___:t:l-.Í=.:::!._:¡:¡_¿.-i.:.:..¿=¿

li JV3. L

r¿.

{t

t'¡STITUTO ¡.( EXICAI.{O DE LA PROPTED¿\f)

.

¡NDUSTRIAT,

de|osdiferentesprocesosquelorequieran,variosinTé.5TTgEffi propuesto sistemas y metodologlas para tener mediciones precisas y conf

iables. Saucedo y col. (Applied Microbiology Biotechnology,

1992,

37:580-582; Process Biochemistry, 1994 , 29;13-24 "Control of carbon

dioxide in exhaust air as a method for equal biomass yields at different bed heights in a column fermentor" y "On-line automated monitoring and

control systems for COe and Oz in aerobic and anaerobic solid-state fermentation") describen

un sistema de monitoreo en línea

para

fermentación en medio solido (FMS) aeróbico y a'naeróbico en el cual la 10

separación

y

estimación de COz

y Oz se hizo por cromatografía

de

gases. El cromatógrafo de gases tenía un detector de conductividad térmica y un inyector automático (Modelo IGC 11, Delsi, Francia) el gas acarreador usado fue helio (He).El sistema pudo hacer mediciones

en

línea de diferentes columnas o unidades experimentales. El programa 15

e integración de los datos fue el Chroma Biosystem. Se determinó la eficiencia del sistema para el monitoreo en línea de la concentración de COz y Oz, presentando utilizado para

el

almacenamiento

reproducibilidad en sus datos.

20

Un sistema parecido al descrito anteriormente es el reporlado por Carvalho y col. (Biochemical Engineering Journal, 2006 29:262-269, "Relation between growth, respirometric analysis and biopigments production from Monascus by solid-state fermentation") donde se busca

mejorar 25

el monitoreo de la

producción de COz

y

Oz por

lo

:ut

se

realizaron las medidas en llnea utilizando un cromatóg rafo de gases

arrq r" rrt'

-'j-

:E%:E:Ísrr::¿rffi

Hp'-'{ l'uTo lflSTl

4

(Shimadzu GC-8a, Japón), el gas acarreador fue almacenados

e integrados con ayuda del

sin embargo, de las

10

¡"i

s't.j¡'

pE cx

icANo

o"o'i,L??iR'1,3

i:: : -a:i::iU¡-:f_::,:¿Ss.¡a¡¡atf¡ñ¡¡

He

y los datos

fueron

programa Chroma Biosystem;

columnas de fermentación empleadas,

sÓlo

pudieron monitorear una por lo que no presentan repeticiones en sus mediciones.

En el trabajo de Prado y col. (Brazilian Archives of Biology and Technology,2005, 48:29-36 "Relation between citric acid production by solid-state fermentation from Cassava Bagasse and respiration of

10

21 in semi-pilot scale"), la fermentación se realizó en un reactor de tambor rotatorio horizontal y la muestra Aspergittus niger LPB

gaseosa fue analizada en un sistema similar al descrito por Saucedo

y

col. (1994); sin embargo, se pudo monitorear un solo canal de muestreo a la vez. 15

Las desventajas que presentan los sistemas antes descritos son: la dificultad de medir varios canales independientes lo que imposibilita

tener controles y repeticiones, no se puede medir el fluio de

la

corriente de salida, en el caso de los que usan cromatografía de gases ocupan helio como gas acarreador, lo cual incrementa el gasto de insumos.

Christensen y col . (Chemicat Engeneering Science, 1995, 16:2061-2610,

"Acoustic off-gas 'analyser

zs

dynamics

for bioreactors: precision, accuracy

and

of detection') pusieron en marcha un sistema autómático de

'i:'

íT T jj iii'.ü" Jf: a -¡1

'T.m

ti\¡3:Ti'lrjT(} i/llX ICAN O Di; LA P1TOPIEDAD

a.

I

¡.rg@a

monitoreo en linea, ffiulticanal (Multipoint Sampler Type 1309) que usado a nivel planta piloto

f

ue

y un flujo minimo de hasta 130 ml/min, el

cual presentó alta sensibilidad y reproducibilidad. La concentración de COz, Oz e hidrocarburos se midió por espectrofotometría foto-acústica y

s

magneto-acristica (PAS/MA, por sus siglas en inglés), el almacenamiento y manejo de datos se realizó por un equipo Innova AirTech Instrument 1313. Sin embargo, en este caso no se puede hacer fa medición de flujos muy altos ni remplazar los sensores en caso de qüe se requiera mayor sensibilidad y reproducibil'idad.

10

y col. (Biotechnotogy t| Biotechnology 2012, 26: 3031 -3038, nMultiplex gas sampler for respirometry in column-type bioreactors used in

pliego-sandoval

15

Equipment,

monitoring

solid-state

fermentation") diseñaron un sistema que consta de un medidor de aire Agilent Model 5067-0223. El sistema puede monitorear h asta 24 canales

los cuales están integrados en un multiplexor. E¡ sistema tiene la y capacidad de medir la concentración de COz y Oz (Pasco, Cl-6561 Cl6562) en la fase gaseosa a partir de ser conectados a un interface

20

pasco scienceworshop 750 que a su vez conectado por vía usB a una computadora donde se tiene registradas las mediciones. En conclusión

este sistema no es flexible ya que no tiene la capacidad de medir el flujo, no tiene sistema de válvulas independientes y las mediciones deben hacerse de manera secuencial, por lo que sistema debe poder escanear los 24 canales aunque no se estén usando todos, para 25

retornar al canal

I

y empezat vna nueva medición.

XfuflF,H ¡NSTITUTO MEXICAiTjC DI LA PROPIEDAD

.,

6

INDUSTR,JAL

Smitsyco|.(ProcessBiochemestry,1996,7i669.678ffi Microbiotogy Biotechnology, 1996, 46:489-496 "Accurate determination

of

process variables

in a solid state fermentation" y

"Solid-state

fermentation of wheat bran by Trichoderma reese, QM9414: substrate

composition changes

C

balance, enzyme production, growth

and

kinetics") diseñaron un sistema para medir la composición gaseosa

de

una incubadora que en su interior tenía cajas Petri, con una bomba se succiona una muestra de gas de la incubadora para ser analizada por

10

))l

un detector de Oz paramagnético (Servomex ' 1 100) y un detector inf rarrojo (Servomex 1400), para que el gas en el interior de la incubadora este homogéneo al momento de sacar la muestra gaseosa, se prende un sistema de ventiladores cada cierto periodo. Sin embargo,

este sistema no cuenta con canales independientes, es decir, todas las unidades experimentales se confunden y se realiza una sola medición. 15

Entre los sistemas automáticoq que miden la composición gaseosa

de

un solo canal a nivel piloto están los utilizados en el monitoreo de procesos de composteo, tal es el caso de Van Lier y col. (Netherlan ds Journal

of Agriculturat Science,

mushroom substrate

)r

1994

,

42:271-292, "Composting of

in a fermentation tunnel: compost parameters

mathematical model") cuya muestra gaseosa, generada durante

a nd

el

composteo fue anatizada por dos equipos comerciales, la determinaci ón

del COz se hizo en un equipo Siemens Ultramat 22P, que tiene en su interior un detector infrarrojo y la del 0z se realizó en un Sieme ns 25

Oxymat

2 que es un detector paramagnético. Ambos

equip 0s

E}Á T,T lNslrTtno .

t iEXICAi,:C

DE Lir frR( l¡lELl/il) INDUSTR,!.'J.

a|macenaron|osdatosdemaneraindependienteyfermentación la adquisición de datos se realizó conectando los equipos

a un puerto serial de una computadora. Sin embargo, este sistema

no

tiene la capacidad de medir varios canales independientes, ni de medir el flujo de cada una de las corrientes de salida, ni de realizar un monitoreo en llnea de forma remota.

Gea y col. (Biotechnotogy and Bioegineering, 2004, 4:520-527 "Monitoring the biological activity of de compésting process: oxigen uptake rate (OUR), respirometric index (Rl) and respiratory quotient ,

10

(Re)"), analizaron la composición del gas en linea por un detector de Oz (Sensox, Sensotran, España) y un detector de COz (Sensotran lR, Sensotran, Esp.aña) los cuales están conectados a un sistema de

)),t

adquisición de datos que a su vez controla la cantidad de Oz y fluio del 15

proceso (Sensotran mod. (MR3A18SVVT), manteniendo la concentración

def Oz en un

100/o.

Una variante de este sistema es

el reportado

por

Kulcu y Ya ldiz (Bioresource Technology, 2004, 93: 49-57, "Determination of aeration rate and kinetic of composting some agricultural wastes") en

donde no se mide 20

el

consumo de Oz

y se agrega un multiplexor de 3

canales para poder medir la concentración de COz en tres diferentes niveles del reactor. En el 2008 (Waste Management,2S:1766'1772) los

mismos autores

en el trabajo "Effects of air flow directions on

compositing process temperatura profile" le removieron el multiplexor al sistema y agregaron un detector electroqufmico de Oz. Este sistema no 25

cuenta con canales independientes suficientes para tener repeticiones

IllqPI ¡NSTITUTO ivflxlcANo . DT tA PR,OPIEDAD

8

I}.{D|JSTR,¡AL

y controles

nl

in¡;r.Fl{"1É, J

-*'JL'-j

tiene la capacidad de medir el flujo

salida. Puyuelo y col. (Chemical Engineering Journal, 20 1 0, 165:161 -169) en el

trabajo uA new strategy for the compo sting proces s base on the oxyg en

uptake rat0", propusieron un

nuev0

composteo de residuos municipales

e

reactor

a

I cual tenía

nivel pilo to

para

el

integrado un medid or

de flujo, un sensor de temPeratura ( Desing Instr uments, B arcelona) )/ un detector de Oz (Xgard, Crown, U SA). La adq uisición y control de 10

),);

sistema se realizÓ con ayuda del prog rama LabVie w 8.6. Weber y col. (Biotechnotogy and Bioengineering, 2001 ,77:381-393, en

el trabaio'Validation of a model for process development and scale-up of packed-bed solid-state fermentation"), desarrollaron un sistema de 15

monitoreo para un reactor de lecho empacado, el cual contenia un controlador de flujo que iba de 0 a 50 L/min. A la entrada del reactor el

aire entra humidificado y a la salida de éste es deshidratado para

no

afectar los detectores. La concentración de Oz se midió con un detector paramagnético (Xentra a100) y el COz se midió con un detector

Ozo

infrarrojo (servomex, 1400), el fluio de trabajo fue de 100 ml/min. La adquisición y maneio de datos se hizo con el software LabView' :

En ambos casos no es posible realizar la medición de varios canales independientes y asi tener controles y repeticiones, los sistemas n0 25

tienen la capacidad de medir el fluio de cada una de las corrientes

de

IE6Fg IN$TITUTC MEXICANO DE

.

tA

PRCPIEDAD

liYDUST.t¿{t

salida.

o

Finalmente

el sistema reportado Gelmi y col. (Process Biochemesfry,

2000, 35:1227-1233, "Solid substrate cultivation of Gibberella tuiikuroi

on an inert support"). El monitoreo en linea de cuatro columnas de fermentación se realizó por un sistema que utilizaba un medidor de flujo (Aalborg Instruments GFMIT), un detector del Oz electroquímico y un detector de COz inf rarrojo. La adquisición de datos se realizó con ayuda de PLC's (controladores lógicos programables) conectados a una computadora la cual fue

(Columbus Instruments 0135-0345)

10

),i)f

registrando en

;

el tiempo el fluio y concentración (%) de COz Y Oz de

cada columna. En este caso no se tiene una administración remota ni la

fácil medición de varios canales independientes. Al acoplar el sistema de pLC's a un Datalogger como es el caso de la presente invención se L5

previene el desfase del reloj etectrónico del sistema de válvulas con el PLC.

Realiza¡ la medición de la concentración porcentual de Oe, C0z Y fluio

del gas de diferentes sistemas biológicos (cultivos

' O:-

microbianos'

fisiologia de plantas, frutas y/o pequeños mamfferos) al mismo tiempo resulta complicado ya que además la mayoria de los sistemas comerciales actuales permiten medir solo un punto de análisis del proceso lo que provoca errores experimentales.

ZS El sistema de respirometria que se propone

presenta las siguientes

Ih4rs

TNSTITUTC NiEXICAT'!O DE LA PFrOP!3Ü,r.D

INDUSl'Ri.{.t

10

ventajas con respecto a ¡os sistemas antes expuestos: 1) La capacidad de medir varios canales independientes por lo que existe la posibilidad de tener controles y repeticiones,2l es capaz de medir el fluio (ml/min) y registrarlo en el tiempo de cada una de las corrientes de salida o

unidades experimentales

lo cual es indispensable al

momento

de

realizar los balances de materia,3) Tiene la capacidad de manejar flujos en el intervalo de 20 a 300 ml/min y al cambiar el medidor de y reproducibilidad por lo que f lu jo hasta 101/min con alta sensibilidad

10

presenta versatilidad en cuanto al tamaño 'de muestra, 4) En comparación con los sistemas que usan cromatografia de gases' este equipo no necesita de He como gas acarreador, lo que disminuye el gasto de insumos,6) El tiempo de análisis en el fluio más bajo (20

i

f,ü;

ml/min) no excede los

15

7 min de muestreo, T) El sistema de válvulas

independientes del respirómetro permite en caso de que se requiera utilizar' mantener abiertas solo las válvulas o canales que se vayan a pudiendo manteniendo cerrados todos los canales que no se utilicen, serie modificar la secuencia de muestreo, por lo que puede trabajar en

20

programada o en paralelo, S) El análisis de la fase gaseosa puede ser para que se realice a intervalos de cada 5 min o a intervalos de cada 60 min segrin se requiera, g) La adquisición de datos se hace de

manera conjunta

y fácil a través de una hoja de cálculo

donde

se

la siguiente inf ormaciÓn: dla, hora, concentración de C0z (%), concentración de oz (%), flujo y número de válvula, 10) Es un

concentra

25

pueden ser equipo móvil, 1f ) Los distintos componentes del sistema se requiere reemplazados, tanto si se presenta mal funcionamiento o si

T&4PE TNSTITUTO MEXIC¿}iO .i DE LA FIOPI|D/.D

LL

NDUSTR;AI-

.

una mejora de los mismos, 12't Tiene la factibilidad de aumentar

su

capacidad de análisis al conectar otros sensores como por eiemplo para determinar

contenido

de agua en fase gaseosa y sólida,

temperaturE, CH¿, NH¿, 13)

El mon¡toreo del

sistema

PH,

se puede hacer

remotamente desde cualquier parte del mundo.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN

El principal objetivo de la invención es proporcionar un sistema analítico que mida la respiraciÓn de organismos vivos y de forma indirecta su crecimiento, que tenga la capacidad de medir en linea y con precisión la concentraciÓn de 0z y COz así como el fluio de un efluente gaseoso proveniente de procesos biológicos. El sistema se usa 15

en el análisis, monitoreo y control de respirometria de

cultivos

microbianos, fisiologla de plantas, frutas ylo pequeños mamíferos.

En

laboratorios de investigación que se dediquen al estudio, optimización y escalamiento de procesos de fermentación en medio sólido. En los

la mediciÓn de COz, Oz y del flujo sean indispensables en el control de los procesos de producción y/o de

procesos industriales donde )j)J

O zo

bioseguridad.

Otro obietiv o de la presente invención es realizar el análisis en hasta

16 canales que permita monitorear muestras controles

25 experimenta les de forma simultánea.

y

repeticiones

¡|¡rtÚtr

.tütG¡trÚEE

L2

Otro obietivo es que el monitoreo Y caPtura de forma remota

jüo

en

cualquier parte del mundo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema para el monitoreo de parámetros en procesos biológicos que requieran conocer la composiciÓn de la fase gaseosa para tener un control

del mismo.

10

El monitoreo de parámetros de procesos biolÓg icos es importante para medir su productividad y llevar a cabo su optimización y escalamiento. En el caso de algunos procesos como la f ermentación, la toma de

I

üDlo

que puede muestras periódicas para su análisis resulta un problema ya 15

,l,D

Ozo

proceso, además medir la que concentración de biomasa producida resulta complicado debido a en algunas ocasiones se adhiere y penetra los soportes usados'

ocasionar contaminaciones durante

el

El sistema de respirometria para el monitoreo de parámetros durante procesos biológicos ofrece la capacidad de medir varios canales y independientes por lo que existe la posibilidad de tener controles 1000 repeticiones, es capaz de medir el flujo en el intervalo de 10 a las ml/min y registrarlo al momento en que se analiza cada una de corrientes de salida o unidades experimentales lo cual es indispensable

25

para re alizar los balances de

materia'

I

T&4P[ INSTITiJTC MEX]CT.NC ^: DE LA FF.O?¡ED.ó,D

13

liiDUSTiilriL

Este sistema de respirometrla no necesita

acarreador, lo que disminuye el gasto de insumos, los sensores de COz y Oz con los que cuenta presentan alta sensibilidad que es el grado o

J

i))I

usa

medida de la eficacia del instrumento

al recibir estfmulos externos,

y

alta reproducibilidad, es decir, la capacidad del instrumento de mantener una misma lectura cuando el valor de la especie sensada está

a valor constante. El tiempo de análisis en el

f lu

jo

más baio

(10

ml/min) no excede los 7 minutos de muestreo, el sistema de válvulas que independientes del sistema es flexible ya que permite, en el caso 10 t

Dll

se requiera, mantener abiertas las válvulas o canales que sÓlo se vayan a utilizar, manteniendo cerrados todos los canales que no se puede utilicen, pudiendo modificar la secuencia de muestreo, por lo que puede trabajar en serie o en paralelo, el análisis de la fase gaseosa ser programada para que se realice a intervalos de 5 min a 60 min

15

según se requiera, la adquisición de datos se hace de manera simultánea y fácil a través de una hoia de cálculo donde se concentra (To)' siguiente información: fecha, hora, concentración de COz sistema concentración de Oz (o/o), fluio (ml/min) y número de válvula' el

la

20

al es portátil, tiene la posibilidad de aumentar su capacidad de análisis conectar otros sensores como por eiemplo para determinar el contenido

de agua en f ase gaseosa o sólida, pH, temperatura, cH¿, NH¿, entre otros. El monitoreo y control del sistema se puede hacer remotamente desde cualquier Parte del mundo.

25

procesos El monitoreo remoto en llnea del sistema de respirometrla en

r{ l,¡

.

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