Scientia Et Technica ISSN: 0122-1701 [email protected] Universidad Tecnológica de Pereira Colombia

GARCIA ARIAS, RAMIRO; GARCIA ARIAS, JAIR A.; PADILLA B., JOSÉ BESTIER SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN PARA BIOREACTOR Scientia Et Technica, vol. XV, núm. 43, diciembre, 2009, pp. 246-251 Universidad Tecnológica de Pereira Pereira, Colombia

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Scientia et Technica Año XV, No 43, Diciembre de 2009. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701

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SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN PARA BIOREACTOR Bioreactor Instrumentation System RESUMEN Un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas, manteniendo ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, oxígeno disuelto,…). En el tratamiento de aguas residuales, existe una técnica que se conoce como proceso oxidactivo avanzado (POA) y proceso biológico oxidactivo (PBO), y en el cual se debe tener un sistema que monitoree las variables involucradas. Este trabajo muestra el desarrollo de un sistema supervisado, de estas variables, en una unidad acoplada POA-PBO, utilizando un sistema de instrumentación electrónico soportado en el PIC 16F877 y en el software Labview. PALABRAS CLAVES: Bioreactor, sistema supervisado, temperatura, pH, Oxigeno disuelto, flujo de gases, sensores. ABSTRACT A bioreactor is a recipient to use a chemical process which involve organisms or biochemically active substances, It is to keep some helpful ambiental conditions (pH, temperature, dissolved oxygen ...). In wastewater treatment there is a technique that people known like Advanced Oxidation Process (AOP) and Biological Oxidation Process (BOP) and which must have a system that monitoring the involved variables. This procedure shows the development of a supervise system of these variables in an attached unit POA-PBO, using an electronic instrumentation system supported by a PIC 16F877 and the LabView software.

Bioreactor, instrumentation, visualization.

KEYWORDS:

temperature,

pH,

1. INTRODUCCIÓN La preocupación sobre el tratamiento de las aguas residuales sólo aparece a finales del siglo XIX, cuando en Gran Bretaña aparece el primer filtro intermitente (1871); luego en 1896 se descubre el importante papel que jugaban las bacterias en el tratamiento de aguas, sin embargo, en 1893 ya se ha puesto en marcha el primer filtro biológico seguido de sedimentares en Inglaterra. De otro lado, en 1887 aparece con métodos de descontaminación dos procesos químicos: la legalización y la cloración. El verdadero avance de aguas residuales se considera cuando se desarrolla la técnica conocida como lodos activados en 1912; pero es en 1950 cuando se comienza con rigor, desde el método científico, el tratamiento biológico de las aguas residuales. No sólo son este tipo de compuestos los que por su acumulación generan contaminación, también existen otros compuestos con características un poco diferentes que hacen que la biodegradación sea más lenta, o se inhiba la acción microbiana, aparte de tener en cuenta que los microorganismos (bacterias, hongos, y algas, principalmente) poseen limitaciones. Además la Fecha de Recepción: 15 de Septiembre de 2009. Fecha de Aceptación: 18 de Octubre de 2009.

flow

RAMIRO GARCIA ARIAS Lic. En Física, M.Sc. en física Profesor Titular Universidad del Quindío [email protected] JAIR A. GARCIA ARIAS Lic. En Física-Matemática, M.Sc. Instrumentación Física Profesor Titular Universidad del Quindío [email protected] JOSÉ BESTIER PADILLA B. Lic. Electricidad y Electrónica, Esp. Redes de comunicación. Profesor Asociado Universidad del Quindío [email protected]

control,

legislación mundial, en la cual se basan muchas de las normas locales, reglamenta el vertimiento, emisión y depósito de compuestos peligrosos, es decir, compuestos que presentan riesgo para el ecosistema o para de la salud pública [1]. Es por esto que una de las técnicas de tratamiento de aguas residuales se conoce como proceso oxidactivo avanzado (POA) y proceso biológico oxidactivo (PBO), sin embargo, el exceso de los reactivos del POA generan problemas en la etapa posterior PBO, porque la presencia de agua oxigenada, podría producir la muerte microbiana, lo cual generaría serias dificultades. Por lo tanto es de vital importancia supervisar constantemente los niveles de oxigeno disuelto y las distintas variables en la unidad de proceso biológico por medio de un sistema que permita acoplar los sensores de las variables que intervienen en el proceso y además posea un sistema de visualización, para considerar acciones de control ya sea aumentando o disminuyendo los niveles de pH en la unidad POA, implementando lo que hoy en día se conoce como un sistema supervisado.

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Cada vez que hacemos uso del cuarto de baño “condenamos” una media de 10-20 litros de agua, en la mayoría de los casos potable, a convertirse en agua residual negra que podría llegar a constituir un problema medioambiental serio, no solo por el hecho de verter estas aguas contaminadas a los cauces de los ríos, sino también por el poco aprovechamiento de dicha agua para otros usos. Las aguas que han sido utilizadas en las viviendas, en la industria, en la agricultura y en los servicios, pudiéndose incluir también las que proceden de lluvia y discurren por las calles y espacios libres, por los tejados, patios y azoteas de los edificios, las cuales, podrían ser transportadas y tratadas adecuadamente, haciéndole un análisis cuantitativo y cualitativo de las sustancias químicas propias del agua y de los residuos contaminantes [2].

oxígeno que ha pasado a través de la membrana reacciona en el cátodo causando un flujo de corriente.

Las mediciones de las variables que intervienen en la calidad del agua son medidas hechas tradicionalmente “in Vitro” a través de técnicas químicas, lo cual no permite un monitoreo y control permanente, ágil y de bajo costo de estas variables.

Es importante reconocer que el oxígeno disuelto en la muestra se consume durante la prueba. Es esencial, por lo tanto, que la muestra se agite constantemente en la punta del sensor. Si no hay agitación, la lectura puede ser artificialmente baja. La agitación se puede hacer moviendo la muestra alrededor de la punta de la sonda, o moviendo rápidamente la sonda a través de la muestra. La razón de agitación deberá de ser al menos de 30 cm/seg.

La implementación de sensores electrónicos a la salida de la unidad POA-PBO y su monitoreo a través del computador, permite un control eficaz de la calidad del agua tratada.

Por la membrana pasa oxígeno en una razón proporcional a la diferencia de presiones a través de ella. Dado que el oxígeno se consume rápidamente en el cátodo, se puede asumir que la presión del oxígeno por el lado interno de la membrana es cero. Por lo tanto, la fuerza que causa que el oxígeno se difunda a través de la membrana es proporcional a la presión parcial del oxígeno del lado exterior de la membrana. Conforme la presión parcial del oxígeno varia, así también varia la difusión del oxígeno a través de la membrana. Esto causa que el flujo de corriente en el sensor cambie proporcionalmente.

2. SENSORES PARA EL ANÁLISIS DE AGUAS RESIDUALES

Las características avanzadas incluyen una interfaz en serie RS-232, retención de datos, apagado automático y registro de Mínimo, Máximo y Promedio.

Para la unidad acoplada POA-PBO, se definieron las variables a medir: 1. Oxigeno disuelto y temperatura 2. Ph+ 3. Flujo de gases

Además el sensor tiene una unidad de procesamiento de información donde se le aplica un factor de corrección a la lectura, de manera automática para la temperatura y para la elevación del sitio de medición con respecto al nivel del mar [3].

Los sensores utilizados que definen estos parámetros cuantitativos de la calidad del agua son: 2.1 Oxigeno Disuelto: El medidor de oxígeno disuelto que se uso fue el Dissolved Oxygen Meter with PC interface Extech 407510, el cual indica simultáneamente el oxígeno disuelto, oxígeno en el aire y la temperatura, ver figura 1. Figura 1. Sensor de oxigeno disuelto

Las unidades de medida son mg/l para oxígeno disuelto, % para oxígeno en el aire y ºC o ºF para la temperatura. El oxígeno disuelto se mide con un sensor remoto que además contiene un termistor para medir la temperatura. El sensor consiste de un cuerpo de plata que trabaja como ánodo y un cuerpo circular de oro colocado en el extremo del sensor. En operación, el sensor se llena con una solución de electrolito que contiene una pequeña cantidad de surfactante para mejorar la acción de humidificación.

2.2 pH+: El sensor de pH+ que se utilizo fue el electrodo SCHOTT BLUELINE que tiene un diseño moderno y funcional, son robustos y resistentes a choques, y permiten un manejo seguro, el electrodo indica simultáneamente el pH+ y la temperatura, incorporando en el electrodo un sensor de temperatura Pt 100 [4]. Las características generales del sensor son:

Una membrana delgada semi-permeable, extendida sobre el sensor, aísla los electrodos del medio ambiente, mientras que permite que pasen los gases. Cuando se aplica un voltaje de polarización a los electrodos del sensor, el

Material del Mango

Vidrio

Diámetro del Mando

12 mm ± 0,5

Descarga

Silamid®

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Electrólito

KCI 3 mol/l,exento de iones de plata

Tampón Interna

pH=7,0 ± 0,25

Largo del Mango

120 mm ± 2

Conexión

Cabezal insertable Schott

Combinación de Cables

LB 1 A

Conexión de unidad

Conector DIN 19 262

Membrana

Vidrio pH tipo L

Forma de Membrana

Membrana Cónica

Resistencia de Membrana

100 MOhmios a 25º C

Margen de aplicación pH

pH 0...14

Margen Temp.

-5...+100º C

de

aplicación

Diafragma

Platino

Sensor de Temp.

no

Como el valor a medir es ∇T , usando los dispositivos LM35, se obtiene: ∇ T

F lu j o =

1 ) − voltaje 10 mV

( LM

2 ))

(2)

( v o lt a j e ( L M 1 ) - v o lt a j e ( L M 2 ) ) 7 0 º C * 10m V k

(3)

El valor de k se calcula experimentalmente usando como elemento de referencia un flujómetro de 10000 cc/min. Para el sensor implementado se hallo que el valor de k es 46667 °C.min/cc.

3. ADAPTACIÓN DE LOS SENSORES A LA UNIDAD ACOPLADA POA-PBO Para la unidad de tratamiento de agua se identificaron plenamente los puntos de medición de las variables consideradas, teniendo el siguiente esquema que representa la planta y los puntos de verificación. Si bien el ideal es medir todas estas señales, es bastante complejo analizar la información recopilada, así que las variables a tener en cuanta se ilustran en la figura 4.

Figura 3. Sensor de flujo

Los puntos de temperatura se miden con un sensor electrónico de temperatura, LM35, que tiene una sensibilidad de 10mV/ºC y su variación es lineal para el rango de temperatura entre -20ºC y 120ºC. Como fuente de temperatura se usa una resistencia alimentada con 12V para producir una temperatura constante de 75ºC. Las unidades de medida son cc/min para el fuljo de aire, el sensor tiene una sensibilidad de 0.15 mv*min/cc. Esta sensibilidad se deduce de la ecuación de diseño:

Fuente

( LM

Flujo = ∇T * Fuente det emperatura

2.3. Flujo de Aire: El sensor de flujo de aire que se utilizo, se implemento de manera “artesanal”; este sensor usa como principio de medición el gradiente de temperatura entre dos puntos separados a una distancia y entre ellos una fuente de temperatura, en un recipiente cerrado.

Flujo ( cc / min) det emperatura

( voltaje

Así, se determina que el sensor trabaja, según:

Figura 2. Sensor de pH

∇ T = k *

=

(1) (º C )

Figura 4. Variables analizadas en la planta de tratamiento biológico

Además, para el proceso de medición se uso el sistema de tratamiento de aguas en lazo cerrado, es decir, se hacen entrar las aguas tratadas en las aguas residuales, y se mira el comportamiento de los lodos durante este proceso, ya que si el proceso estuviera en lazo abierto, o sea, hacer entrar aguas residuales y salir aguas tratadas, necesitaríamos el doble del número de sensores para este nuevo tratamiento y para realizar la comparación entre el agua ingresada y el agua obtenida.

4.

DESCRIPCIÓN SUPERVISADO

DEL

SISTEMA

Para la implementación del sistema se construyo la tarjeta de adquisición de datos que tiene como eje

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central un microcontrolador PIC 16F877 [5] (ver figura 5), el cual tiene unas características que lo hacen muy apropiado para los requerimientos de la unidad acoplada POA-PBO, entre ellas: • 8 canales de conversión A/D con una resolución de 10 bits. • 5 puertos de entrada-salida (PA, PB, PC, PD, PE), para un total de 33 líneas de conexión de dispositivos. • Puerto SERIAL ASINCRONO (USART).

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Así, por ejemplo, si el Vref+ = 5 VDC y el Vref- = Tierra, la resolución es de 4,8 mV/bit. Por tanto, a la entrada analógica de 0 V le corresponde una digital de 00 0000 0000 (000H) y para la de 5 V una de 11 1111 1111 (3FFH). La tensión de referencia determina los límites máximo y mínimo de la tensión analógica que se puede convertir. El voltaje diferencial mínimo es de 2 V. A través del canal de entrada seleccionado, se aplica la señal analógica a un condensador de captura y mantenimiento (sample and hold) y luego se introduce al conversor, el cual proporciona un resultado digital de 10 bits de longitud usando la técnica de «aproximaciones sucesivas». En el PIC 16F877 los 8 canales de entrada están soportados por las 5 líneas multifunción del Puerto A y las 3 líneas menos significativas del puerto E (E0, E1, E2). En la configuración de dichas líneas habrá que expresar la función que realizan. La tensión de referencia puede implementarse con la tensión interna de alimentación VDD, o bien, con una externa que se introduce por el pin RA3/AN3/VREF+, en cuyo caso la polaridad negativa se aplica por el pin RA2/AN2/VREF.

Figura 5. Distribución de pines del PIC 16F877

4.2 CONVERSIÓN ANALÓGICA DIGITAL

Estas características hacen posible, con solo adicionar un dispositivo (MAX-232), la comunicación entre los sensores y el computador usando el protocolo RS-232 (ver figura 6.),

SEÑALES SENSORES

A continuación, se indican los pasos que hay que efectuar para realizar una conversión A/D: 1.

MAX 232

PIC

Conversión

16F877

TTL/RS-232

uc

2.

Figura 6. Conexión de los dispositivos con el protocolo RS-232

3.

ANÁLOGO

4.

El microcontrolador PIC16F877 posee un conversor A/D de 10 bits de resolución y 8 canales de entrada [5]. La resolución que tiene cada bit procedente de la conversión tiene un valor que es función de la tensión de referencia Vref, de acuerdo con la ecuación siguiente:

5.

4.1

MODULO DIGITAL

(V Resolución =

ref +

CONVERSOR

− Vref −

1024

)=

Vref 1024

6.

(4)

Configurar el modulo conversor Análogo Digital. • Configurar las líneas de entrada (analógica o digital) o salida digital. • Seleccionar el reloj de conversión (ADCON0). • Seleccionar el canal de entrada A/D (ADCON0). • Activar el modulo A/D (ADCON0). Tiempo de espera para que transcurra el tiempo de adquisición. Inicio de la conversión. • Poner en 1 el bit GO/DONE# (ADCON0). Tiempo de espera para completar la conversión A/D que puede detectarse: • Explorar el bit GO/DONE# (ADCON0), que al completarse la conversión pasa a valer 0. • La bandera ADIF se pondrá en 1 al finalizar la conversión. Leer el resultado en los 10 bits válidos de ADDRESH:L, y borrar el flan ADIF. Para una conversión continua repetir los pasos 3, 4, 5. Es de resaltar que para una conversión que se tome un tiempo T, el PIC debe esperar

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mínimo 2T para reiniciar una nueva conversión. Si se elige como reloj para la conversión al oscilador RL interno del conversor A/D, éste puede seguir funcionando cuando se introduce el microcontrolador al modo de reposo o SLEEP. En los restantes modos, se aborta la conversión y se desactiva el conversor A/D.

1.

2.

3.

4.3 MODULO USART El PIC 16F877 posee un módulo USART interno o módulo universal transmisor-receptor sincrónico asincrónico. Este módulo se encarga de realizar la comunicación Asincrónica full dúplex o la comunicación sincrónica half dúplex [5]. Este módulo, además de arrojar excelentes resultados, permite aliviar un poco el trabajo del programador y permite más espacio de programa disponible para otras aplicaciones distintas a la comunicación. El formato de los datos manejados por el módulo es un bit de inicio, ocho o nueve bits de datos y un bit de stop. Dentro de este formato no se encuentra el bit de paridad, sin embargo, el noveno bit puede usarse para ese fin. En esta ocasión seguiremos el diagrama mostrado en la figura 6, donde se muestra la comunicación con una computadora. Existen ocho registros especiales asociados con la USART que se deben configurar convenientemente para la implementación del control, el estado y la interfaz de datos que requiere el programa. Analicemos brevemente algunos de estos registros. El registro SPBRG se usa para establecer la rata de transmisión (bits por segundo); el contenido que debe tener este registro, antes de habilitar la USART, se determina según la siguiente expresión: SPRG =

Donde:

• •

F osc − 6 4 ( R a 6 4 (R a )

)

(5 )

Fosc es la frecuencia de oscilación en MHz. Ra es la rata de los datos en bits por segundo.

Los registros RCSTA y TXSTA, establecen el estado y control de la recepción y la transmisión, respectivamente. Los registros RCSTA, RXSTA y PLRI, proporcionan el estado de la comunicación.

4.4 TRANSMISIÓN POR LA USART Para establecer comunicación, a través de este módulo, se deben seguir los siguientes pasos.

4.

Se verifica si el registro de transmisión se encuentra vacío, chequeando la bandera de TXIF en el registro PIR1. Si ese registro no está vacío (bandera en cero), se entra a un procedimiento cíclico de chequeo hasta que esa bandera se ponga en uno. Un registro vacío indica que el byte a ser transmitido ha sido movido hacia un registro de desplazamiento que convierte el dato a formato serial y empieza el proceso de transmisión del byte. Si el registro de desplazamiento se encuentra ocupado, no tiene lugar la transmisión de nuevos contenidos, es decir, hasta que el byte previo ha sido transmitido completamente.

Como se dijo con anterioridad la interfaz a usar es el protocolo RS-232, la interface de señal RS-232 permite comunicación entre dos equipos que estén separados hasta una distancia máxima de 15 metros (según la norma), pero en la práctica se pueden obtener hasta 30 metros.

4.5 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE El software del microcontrolador hace que éste lea uno de los canales análogos a la vez, haga la conversión e inmediatamente transmita el resultado. La transmisión se configuró así: 1. 2. 3. 4. 5.

Velocidad: 2400 bps Número de bits: 8 bits Paridad: ninguna Bits de parada: 1 bit Control de flujo: Ninguno

Dado que la resolución del convertidor es de 10 bits, el valor digital obtenido puede estar entre 000H y 3FFH hexadecimal, por dicha razón el software del microcontrolador, luego de obtener el resultado, tomara el dato y lo convertirá en tres dígitos independientes en formato ASCII. Esto implica que la computadora recibirá el valor de cada señal análoga en forma de tres dígitos, los cuales unidos indican el valor de dicha señal. El primer dígito que se transmite es el más significativo. Para que la computadora pueda diferenciar en qué momento se terminó de recibir el dato de un canal y entienda que los dígitos siguientes pertenecen a otro canal, se introduce el carácter ASCII de la coma “,” (2CH hexadecimal) entre ellos. Una vez que se han transmitido los valores de los canales se debe indicar a la computadora que se terminó un barrido de los canales y que a continuación se enviará otro paquete de información con los resultados de los otros canales. Para dicha tarea se han adicionado en la cadena de información un par de caracteres muy utilizados también en estas labores y corresponden al

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carácter Carriage Return (ODH hexadecimal) y un caracter Line Feed (CA hexadecimal). Finalmente, se diseño la interface en Labview [] como se ilustra en la figura 7, donde se observa una imagen de la unidad acoplada POA-PBO y las variables referidas con anterioridad.

Figura 7. Elementos indicadores mostrando los datos obtenidos de los sensores.

6. CONCLUSIONES Se logro diseñar y construir una tarjeta de adquisición de datos (trabajando a 10 bits) en consonancia con las necesidades del sistema utilizando un PIC 16F877 y el protocolo de comunicaciones RS-232, permitiendo unos datos validables y estables en el tiempo. Se utilizo como interface Labview, que con sus herramientas y servicios permitió visualizar, monitorear, almacenar y controlar las variables en cuestión, permitiendo generar una idea clara del comportamiento del fenómeno en estudio. Utilizando algunos sensores de referencia y tablas de calibración, se logro caracterizar, y en el caso del sensor de flujo, construir y referenciar toda la sensorica necesaria, permitiendo medidas confiables muy cercanas a los resultados esperados. 7. BIBLIOGRAFÍA

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