1

1 DESCRIEREA BIOREACTORULUI BIOSTAT a pLUS Sistemul Biostat A PLUSAcest sistem automat Biostat A Plus are n componena sa mai multe echipamente ce vor fi descrise n urmtorul capitol.

FIGURA 1 Sistemul Biostat A Plus1.1 Vasul de cultur Una i cea mai important component a bioreactorului Biostat A Plus o reprezint vasul de cultur n care se vor desfura practic toate experimentele.Acesta are un volum util de 5 L i este realizat din sticl borosilicat (perete simplu nclzit cu manta electric).

Sterilizarea vasului ct i a celorlalte componente se realizeaz la o temperatur de 121C.

Capacul vasului este realizat din oel inoxidabil i prezint orificii de diferite diametre n care sunt introduse sondele (pentru msurarea unor parametrii ai procesului pH, pO2, spum/nivel, temperatur) precum i alte componente pentru controlul procesului (agitator, tuburi introducere substane, tuburi recoltate, tub evacuare, etc.)

FIGURA 2 Capacul vasului de cultur1.2 Unitatea de comand Unitatea de comand este caracterizat de un sistem de control integrat, pompe integrate, controlere debit de gaz, control pH/pO2, spum/nivel i altele .

Este necesar utilizarea unui calculator extern pentru comandarea bioreactorului Biostat A Plus, dar se ofer deasemenea posibilitatea atarii unui touch panel i dezvoltarea unui soft pentru conducerea/monitorizarea procesului desfurat. Opiunile de debit a gazelor, permit obinerea unui sistem specific nevoilor utilizatorului. Se pot alege pn la patru pompe manuale pentru diverse debite de gaze (Aer, O2, N2 i CO2).

De asemenea mai este prevzut cu trei pompe peristaltice fixe (20 RPM) ce pot fi legate direct la sursele de acid, baz, spum, nivel.

n figura 3 se pot observa conectorii componentelor bioreactorului dintre care enumerm:

1. conexiuni pentru electrozii de pH/pO2, motor, sond de temperatur i spum/nivel;

2. conexiuni Touch Panel;

3. conexiuni imprimant / balan;

4. alimentare manta electric (nclzitorul vasului);

5. conectoare pentru ap (Water In/Out) ce permit ataarea/detaarea utilitilor;

6. conectori tub evacuare gaze proces;

7. conectori alimentare gaze (Gas in)8. conectori evacuare gaze (8 Gas out).

FIGURA 3 Unitatea de comand a bioreactorului1.3 Agitatorul

Omogenizarea mediului de cultur este realizat cu ajutorul unei palete elicoidale ataate unui ax, rotit prin intermediul unui motor.

Cel mai important lucru const n faptul ca nainte de utilizare, totalitatea ansamblului s fie sterilizat.

Agitatorul este format din trei segmente care sunt dispuse coaxial acesta fiind special conceput pentru versiunea CC (cell culture cultur de celule ) i asigur un amestec uor dar foarte eficient totodat chiar i la viteze mici aplicnd fore de tiere de intensitate sczut asupra celulelor.

mpreun cu instrumentul pentru barbotare cu micro bule, tuburile de alimentare cu gaz, precum i coul de ventilaie, aceast component asigur circulaia pe vertical n vasul de reacie.

FIGURA 4 (a) Motorul + modulul de alimentare/control;(b) Arborele agitatorului;

(c) Dispozitivul de amestecare;(d) Instrumentul pentru barbotare1.4 Tubul de barbotare cu micro-orificii

Acesta este conceput special pentru culturile de celule care sunt sensibile la forele de forfecare n medii de cultur ce au o tendin sczut de dezvoltare la spum. Conducta de barbotare are n capt o frit microporoas din oel inoxidabil sinterizat ( Fig.24 d. ).

Aerul sau gazul /amestecul de gaze va fi introdus n mediul de cultur prin porii fritei formndu-se astfel bule mici ce vor fi distribuite n amestecul lichid din vasul de cultur.

eava de gazare cu frita microporoas este o component standard a bioreactoarelor n configuraia Cell Cultures. Poziionarea fritei trebuie realizat n concordan cu lungimea arborelui agitatorului. Instrumentul de barbotare trebuie introdus la aproximativ 1 cm sub agitator. nainte de sterilizare se va ataa tubului un furtun ce va avea conectat la capt un filtru Midisart 2000.

De asemenea nainte de autoclavare, cu ajutorul unei cleme se ntrerupe furtunul dintre adaptorul situat pe capacul vasului i filtrul Midisart 2000 folosit. n caz contrar ingrediente ale mediului de cultur pot ajunge n interiorul fritei i pot bloca porii acesteia, prin urmare cantitatea de gaz, precum i modul de distribuire al acestuia nu vor mai fi la parametrii optimi procesului.

Dup autoclavare, cnd vasul este montat din nou n spaiul de lucru se va conecta cellalt capt al filtrului la sursa de alimentare cu gaz (situat pe laterala unitii de comand a bioreactorului) i se va ndeprta clema ataat nainte de sterilizare.

1.5 Tubul pentru recoltare

Este folosit pentru luarea unor mostre din vasul de cultur i depozitarea acestora ntr-un recipient special sau pentru ndeprtarea surplusului de lichid din interiorul vasului n eventualitatea depirii nivelului prestabilit.

Mostrele pot fi transferate din vasul de reacie n recipientul pentru probe aplicnd o uoar suprapresiune vasului sau cu ajutorul unei pompe peristaltice.

Suprapresiunea necesar pentru transferul lichidului din vasul de cultur n recipientul pentru probe poate fi obinut prin deschiderea alimentrii cu gaz i blocarea evacurii pe perioada recoltrii.

FIGURA 5 (a) Tubul pentru recoltare;(b) Setul pentrul prelevarea mostrelor;

n cazul folosirii unei pompe, funcionarea acesteia poate fi automatizat folosind funcia pentru controlul nivelului n vasul de cultur, funcie disponibil n sistemul de monitorizare i control al bioreactorului.

Setul de recoltare manual a probelor este prezentat n figura 5 .Recipientele pentru recoltare pot fi sticle sau eprubete sterilizate sau nesterilizate, n funcie de destinaia probelor. n general, mostrele trebuie luate n recipiente sterilizate, spre deosebire de surplusul de lichid din vas care poate fi scos i depozitat n orice fel de recipient.

1.6 Sonda antispumant i sonda de nivel

Att sonda antispumant ct i sonda de nivel sunt electrozi conductivi singlepoint. Principiul lor de msurare este reprezentat de msurarea conductivitii; pri din oel inoxidabil ale vasului de cultur sunt folosite n calitate de electrod opus.

Mediul de spum sau cultur n contact cu sondele determin o modificare a intensitii curentului i modificarea conductivitii sistemului de msurare.

Sondele prezint la exterior un strat izolator din ceramic. Acest strat are rolul de a mpiedica scurtcircuitarea din cauza depunerilor de reziduuri la nivelul senzorilor.

nlimea de inserare pentru sonda antispumant este fix. n cazul sondei de nivel adaptorul n care aceasta va fi montat permite ajustarea nlimii de inserare n funcie de volumul mediului de cultur din vas. Sonda va fi fixat la nivelul ce nu trebuie depit n interiorul vasului. Trebuie luat n considerare faptul c n timpul folosirii agitatorului la viteze mari, precum i n cazul introducerii unui amestec gazos nivelul mediului de cultur din vas este mai mare.

nainte de introducerea vasului pentru autoclavare trebuie ndeprtat cablul ataat celor dou sonde.

Dac sonda este introdus prea mult n adaptor se poate trage puin de ea chiar i dup sterilizare, ns trebuie avut n vedere c niciodat dup sterilizare s nu se procedeze la mpingerea sondei, deoarece acest lucru duce la contaminarea mediului de cultur cu germeni de mediu.1.7 Senzorul de temperatur

Se monteaz n adaptorul special situat pe capacul vasului de cultur. Este un senzor tip Pt-100 (termometru cu rezisten din platin), care exploateaz modificarea rezistenei electrice a unor materiale n funcie de temperatur. Acest tip de senzor ofer o precizie mult mai mare dect celelalte, fiind utilizat n procesele industriale n care temperatura nu depete 600 C.

Adncimea de imersie este dat de arborele senzorului, aceasta neputnd fi reglat ulterior. nainte de autoclavarea vasului de cultur, este necesar nvelirea mufei senzorului n folie de aluminiu pentru a fi protejat de impactul direct al aburului n timpul procesului de sterilizare. Dup autoclavare se poate ndeprta folia de aluminiu i se realizeaz conexiunea senzorului la unitatea de comand a bioreactorului. Senzorul Pt-100 nu necesit calibrare.

1.8 Electrodul pentru msurarea pH-ului

Electrozii de pH sunt ansambluri combinate sterilizabile. n cazul vaselor de cultur tip UniVessel sunt utilizai electrozi cu punte electrolit pe baz de past. Astfel de electrozi pH sunt o alternativ la cei cu electrolit lichid, oferind mai multe avantaje:

electrozii pH cu electrolit sub form de past au un compartiment presurizat pentru electrolit i pot fi utilizai n medii cu o presiune de funcionare de pn la 2,5 barg (circa 36 psig); presiunea maxim admis pentru bioreactoarele tip UniVessel este de 1 barg (14,5 psig).

dei o cantitate mic de electrolit ptrunde continuu diafragma, cantitatea stocat este suficient pentru ntreaga durat de via a instrumentului. Astfel, acest tip de electrod nu necesit servicii de ntreinere .FIGURA 7 Electrodul de pH

Pentru curare se cltete cu ap distilat dup fiecare utilizare. n cazul n care nu este folosit pentru o perioad scurt de timp, se plaseaz ntr-un recipient cu ap demineralizat. Dac perioada de stocare este una ndelungat, electrodul trebuie plasat ntr-un pahar cu soluie 3M KCl (clorur de potasiu 3 molar).

n cazul n care o astfel de soluie nu este disponibil se poate opta pentru ataarea cpcelului protectiv din plastic umplut cu soluie electrolit.

Datorit nclzirii n timpul sterilizrii, reaciilor chimice ntre mediu i diafragm sau depunerilor diferitelor reziduuri, electrozii de pH se uzeaz n timp. O verificare funcional a acestuia se face ntr-un mod destul de simplu i rapid. Se msoar pH-ul unei soluii etalon (face parte din pachetul livrat mpreun cu instrumentul de msur) i se compar valoarea indicat online cu valoarea nscris pe recipientul soluiei etalon folosite ( pH 4 / pH 7 / pH 9 ).

Pentru prima utilizare i dup depozitarea pe termen lung a electrodului de pH n stare uscat, acesta trebuie s fie reactivat i recondiionat cu atenie; membrana de sticl a electrodului formeaz un strat subire de gel apos, datorit unei reacii cu apa. Acest strat afecteaz calitatea msurrilor efectuate efectuate cu ajutorul sondei (timpul de rspuns, panta, alcalinitatea) i, prin urmare, ar trebui s se regenereze proprietile dup uscarea electrodului.

Reactivarea electrodului se face prin plasarea pentru aproximativ 10 min. ntr-un pahar cu 0,1 - NaOH 1M, apoi pentru aproximativ 10 min. n 0,1 - 1M HCl i, n final pentru aproximativ 15 min. n soluia de depozitare specificat de productor.

nainte de a fi introdus n vasul de cultur, electrodul de pH trebuie calibarat. Detalii referitoare la acest operaie vor fi prezentate n capitolul urmtor (seciunea Calibrarea senzorilor).

1.9 Electrodul pO2

Electrozii pO2 sunt folosii pentru msurarea oxigenului dizolvat ntr-o soluie. Reprezint componente sterilizabile i folosesc metoda polarografic pentru analiz.

Electrodul este constituit dintr-un anod de Ag i un catod de Pt separai de soluia ce urmeaz a fi msurat printr-o membran polimeric permeabil pentru gaze (principiul CLARK). Anodul i catodul sunt conectai prin intermediul soluiei electrolit, care formeaz un strat mic ntre membran i catod. La o tensiune de polarizare corespunztoare, oxigenul ptrunde prin membran i vine n contact cu catodul. Are loc o reacie chimic n urma creia este produs un curent electric de ordinul nA, care este direct proporional cu presiunea parial a oxigenului.

Permeabilitatea membranei depinde de temperatur. La creterea temperaturii, intensitatea curentului va crete cu 3%/C. Acest efect este compensat de reglarea automat a temperaturii prin intermediul unui termistor integrat n electrod. Dup fiecare utilizare se cltete cu ap demineralizat.

n cazul n care nu este folosit pentru o perioad scurt de timp, se plaseaz ntr-un recipient cu ap demineralizat.

Datorit efectelor termice (n timpul autoclavrii), reaciilor chimice ntre mediu i membran sau depunerilor diferitelor reziduuri, electrozii pO2 se uzeaz n timp.

Electrodul poate fi verificat prin msurarea curentului zero i timpului de rspuns. Aceast operaie poate fi realizat n afara bioreactorului. nainte de inspecie, electrodul trebuie polarizat cel puin 2 ore. Se poate folosi un modul de polarizare pus la dispoziie de productor sau pur i simplu se conecteaz electrodul la sistemul de msur i control, aceasta fiind pornit n prealabil. Este inut electrodul n aer, se msoar nivelul oxigenului dizolvat, se ateapt pentru o valoare stabilizat a msurtorii i se noteaz valoarea indicat. Se plaseaz apoi electrodul ntr-un mediu lipsit de oxigen (de exemplu, azot puritate > 99.98 %). Se ateapt pentru o valoare stabilizat i se noteaz aceasta. La schimbarea din mediul ambiental n mediul lipsit de oxigen, curentul zero msurat trebuie s fie mai puin de 1,5 % din curentul n aer dup 5 minute.

FIGURA 8 Electrodul pentru msurarea concentraiei oxigenului dizolvatDup autoclavare se realizeaz conexiunea cu unitatea de comand a bioreactorului, i este necesar calibrarea senzorului. Aceasta se realizeaz n dou etape, calibrarea zero-ului i calibrarea pantei.

Zero -ul reprezint curentul electrodului n mediu lipsit de oxigen. Dup autoclavare, n vasul de cultur ar trebui s fie indicat valoarea 0 % pO2.

Pentru ajustarea pantei, se pornete sursa de aer (gaz coninnd oxigen) i se regleaz viteza de agitare. n acest fel se obine o aerare optim a mediului de cultur (n funcie de condiiile prestabilite n cadrul procesului).La un afiaj stabil al valorii msurate se poate calibra aceast valoare astfel nct ea s reprezinte 100 % pO2.

1.10 Dispozitivul pentru rcirea gazelor evacuateCooler-ul de evacuare poate, prin procesul de condensare, s reduc coninutul de vapori de ap n gazele de evacuare. Acest lucru reduce pierderea de lichid prin intermediul gazelor evacuate i previne blocarea filtrului steril din cauza umiditii. Dac filtrul de evacuare este blocat, alimentarea cu aer a culturii poate fi redus sau blocat n totalitate. Acest lucru poate duce la o suprapresiune inadmisibil. De asemenea, filtrele umede pot fi contaminate uor cu germeni de mediu introdui prin partea de ieire a filtrului. n timp acetia pot penetra membrana filtrului i pot contamina cultura. La fel ca i celelalte componente, tubul de evacuare este sterilizabil. Este componenta care dicteaz nlimea autoclavei. n cazul vasului de cultur UniVessel 5 L, nlimea interioar necesar este de 700 mm.

FIGURA 9 Dispozitivul pentru rcirea gazelor evacuateEvacuarea asigur compensarea presiunii n interiorul vasului de cultur cu aer ambiental.Vidul sau suprapresiunea pot cauza explozia vasului, de aceea sub nici o form nu se va bloca calea de circulaie a aerului n timpul sterilizrii.

Furtunurile pentru alimentarea cu ap rece, precum i conectarea la scurgere pot fi conectate cnd procesul de fermentaie este iniiat. Pornirea alimentrii cu ap se face simultan cu alimentarea cu gaz. Debitul apei de rcire ce alimenteaz cooler-ul de evacuare trebuie s fie meninut constant la o valoare presetat de productor.

1.11 Filtrele sterile pentru alimentarea cu aer/gaz i evacuareAcestea sunt filtre cu membrane speciale n carcase de plastic. Dimensiunea porilor membranei este de 0,2 m i asigur alimentarea cu aer steril (sau gaz) a mediului de cultur.Au o suprafa de 20 cm2 i permit un debit de ieire de 5 l/min la o presiune de 0,1 barg

Membranele filtrelor blocate din cauza umiditii pot fi uscate prin aerarea atent cu aer curat presurizat. Dac la nivelul membranei a ajuns spum sau mediu de cultur, atunci filtrul trebuie nlocuit.

Aceste filtre sunt autoclavabile (la o temperatur de 121 C) i pot fi sterilizate de mai multe ori (aprox. 20 x).

Astfel de filtre sunt necesare pentru urmtoarele conexiuni:

Alimentarea cu gaz a tubului pentru barbotare;

Alimentarea cu gaz a coului de aerare;

Evacuarea gazelor prin cooler-ul de evacuare;

1.12 Alimentarea cu soluii corectivePentru soluiile corective (acizi, baze, antispumani, soluii nutritive) vasele de cultur tip Univessel 5 l includ recipiente de 500 ml, autoclavabile, realizate din sticl borosilicat.

La nivelul capacului bioreactorului este instalat un port cvadruplu de alimentare cu soluii corective.

Ajustarea nivelului n interiorul bioreactorului se face prin intermediul celor trei pompe peristaltice instalate n partea frontal a unitii de comand a bioreactorului.

Odat ncrcate cu soluii corective, recipientele se poziioneaz lng vasul de cultur, pentru a fi autoclavate odat cu acesta.

Recipientele prezint capace speciale, cu dou orificii, unul pentru tubul de silicon ce va fi trecut prin dispozitivul de pompare i ataat apoi portului de alimentare situat la nivelul capacului vasului de cultur, i cel de-al doilea pentru compensarea presiunii n interiorul recipientului. Acestuia i se va ataa un filtru steril, fiind nerecomandat blocarea acestei ci n timpul procesului de autoclavare.

FIGURA 10 Alimentarea cu soluii corective (a) pompa peristaltic;

(b) recipientul pentru soluii corective;(c) adaptorul cvadruplu pentru alimentare

1.13 Mantaua electricReglarea temperaturii n cazul bioreactoarelor poate fi realizat n mai multe moduri. Vasele cu perete dublu permit integrarea unui sistem de serpentine, prin care circul ap realizndu-se n acest mod fie rcirea instalaiei, fie nclzirea acesteia.

Vasul de cultur folosit n cadrul acestui proiect este de tip UniVessel 5 L, i prezint un perete simplu. Pentru astfel de cazuri, se folosete o mant electric pentru a crete temperatura n interiorul bioreactorului. Este constituit dintr-o serpentin electric acoperit la exterior de un strat de spum de cauciuc siliconic. Conexiunea de alimentare se realizeaz cu unitatea de control a bioreactorului.

Controlul este de tip bipoziional, unitatea declannd procesul de nclzire, atunci cnd temperatura scade sub pragul prestabilit n proces. Dezavantajul n acest caz este dat de necesitatea unui sistem separat pentru rcirea bioreactorului. n cazul de fa, unitatea dispune de un sistem de conectare la o reea de ap (presiune de operare max. 2 bar). Sistemul se numete Cooling finger i este opional n cazul culturilor de celule, el fiind n pachetul standard pentru culturile microbiene.

2 Descrierea pachetului software de monitorizare i control

Interfaa Micro-DCU a fost dezvoltat de cei de la Sartorius BBI Systems ca o extensie a sistemului de control DFC. Toate funciile de msurare i control sunt disponibile n acest pachet software.

n funcie de modelul bioreactorului, interfaa este disponibil fie integrat n unitatea de comand i control a bioreactorului, fiind accesat de operator prin intermediul unui touch-screen, fie disponibil pe un calculator extern, cum este i cazul bioreactorului folosit n cadrul acestui proiect.

Funciile standard de msurare i control includ nregistrarea semnalelor msurate, monitorizarea lor grafic, calibrarea sondelor i contoarelor de dozare i controlul parametrilor de proces.

Sistemul de monitorizare i control este constituit din dou pri software distincte.

Aplicaia micro-DCU (prezentat n Fig. 11) reprezint prima component a sistemului i este caracterizat de o interfa grafic ce asigur o imagine de ansamblu asupra procesului.

FIGURA 11 Interfaa micro DCUCea de-a doua component este MFCS/DA (MultiFermenter Control System Data Acquisition), o aplicaie ce permite gestionarea datelor ntr-un mod batch-oriented. Aceasta a fost conceput special pentru bioreactoarele BIOSTAT micro-DCU pentru a fi uor de folosit, autoconfigurabil i autoexplicativ.

Modul batch-oriented este esenial pentru gestionarea datelor ntr-un astfel de proces, ntruct ofer posibilitatea clasificrii informaiilor n funcie de lot.

MFCS/DA include chiar posibilitatea ncorporrii altor date de laborator (ex. Analize de proces efectuate off-line) utiliznd funcia Sample Data Management.

Modulul de trasare grafic asigur opiunile complete pentru o evaluare ulterioar a datelor msurate n proces. Aceast facilitate, mpreun cu funcia de export ofer un plus de flexibilitate permind analizarea datelor off-line folosind alte medii de programare.

Sistemul MFCS/DA micro-DCU poate fi integrat n sistemele de automatizare ierarhice.

Un computer gazd, folosit pe post de server (centralizator), poate fi conectat la o reea de 4 bioreactoare i s ofere funcii precum vizualizarea grafic a proceselor, achiziii i stocare de date, rutine de proces, etc.

Figura 3.2 Interfaa MFCS/DA (MultiFermenter Control System Data Acquisition)2.1 Aplicaia micro-DCUAceast aplicaie este o interfa grafic simplist care ne pune la dispoziie meniuri, respectiv submeniuri ce ne ajut n setarea bioreactorului Sartorius Biostat A Plus.

Specificaiile acestei interfee sunt urmtoarele:

SimbolEtichetDescriere

Buton albastru

Buton verdeReprezint un submeniu sau o funcie selectat.

Aceast cheie ne indic faptul c submeniul este selectat

Fundal verdeElementul de msur sau de ieire este activ

Butonul ,,golNu are submeniu atribuit

Cerc cu sgeata indicatoare

Indic navigarea,stnga, dreapta sus, jos n meniu sau funcie

Pompa offonReprezint accesul direct la submeniul pomp pentru a selecta modul acesteia

Valv offonReprezint accesul direct la submeniul valv pentru a selecta modul acesteia

Funciile aplicaiei la care operatorul are acces n orice moment, indiferent de starea procesului sau meniul n care acesta se afl sunt reprezentate dup cum urmeaz.

Funcia (Simbol/etichet)Scurt descriere

MAIN

Prezentarea general a bioreactorului:

Aici sunt afiai parametrii de proces ,valorile msurate; totodat ne ofer posibilitatea de a accesa submeniurile corespunztoare operaiei.

TREND

Seciunea pentru reprezentare grafic a unor variabile de proces.

Avantajul acestui submeniu este c : ne poate furniza rspunsul a mai multor parametrii msurai n proces.

CALIBRATION

Acest meniu are n componena sa submeniurile pentru calibrarea:

senzorilor de pH i pO2; pompelor (acid, baz, antispumant, substrat, etc.); dozatoarelor pentru gaz;

sistemelor de echilibrare

CONTROLLER

Seciune dedicat regulatoarelor folosite n cadrul procesului. Monitorizarea i parametrizarea sistemele de control pentru:

temperatur;(TEMP)

viteza de rotaie a agitatorului;(STIRR)

nivelul pH-ului i al oxigenului dizolvat;

pompele peristaltice;(AFOAM,LEVEL)

dozatoarele de gaz.

MAINTENANCE

Aceast funcie cuprinde setrile de baz ale sistemului, cum ar fi domeniile de msurare pentru variabilele de proces, setarea parametrilor de comunicaie cu dispozitivele externe ( imprimant, balan, server ), managementul configuraiilor de funcionare ale bioreactorului.

REMOTE OPERATION

Permite operarea la distan. ( remote mode ).

Setrile pentru acest mod pot fi vizualizate i modificate din seciunea Maintenance.

ALARM

Afieaz alarmele active.

n cazul apariiei unei alarme, fundalul butonului de acces la meniu devine rou i este emis un sunet de avertizare. La activarea meniului este afiat o fereastr cu mesajul informativ cu privire la alarm.

Interfaa Main ofer o prezentare grafic general a configuraiei bioreactorului folosind simboluri pentru vasul de cultur, elementele de alimentare cu gaze, valve, pompe, dozatoare, sistemul de antrenare, senzori, balane, etc oferind totodat informaii cu privire la poziionarea i starea acestor componente. Sunt afiate de asemenea valorile on-line ale parametrilor ce trebuie urmrii.

Fiecare element funcional are asignat un buton ce permite accesul ntr-un meniu de opiuni n care pot fi setate referine, se poate modifica modul de funcionare al elementului respectiv ( oprit, automat, manual ) sau se pot reseta anumite variabile de proces.

n partea superioar a ferestrei sunt prezentate informaii generale (dat, configuraie, submeniu), iar n partea inferioar sunt poziionate funciile principale ale programului.SimbolEtichetDescriere

STIRR

Viteza de rotaie

a agitatorului [rpm]Acces direct la submeniu:

- Introducerea referinei pentru viteza de rotaie

- Selectarea modului de operare a regulatorului pentru viteza de rotaie

TEMP

Valoarea de msurare

a temperaturii n vasul

de cultur [TEMP]Acces direct la submeniu:

- Introducerea temperaturii nominale

- Selectarea modului de operare a regulatorului pentru temperatur

pH

Valoarea de msurare

a ph-ului[pH]Acces direct la submeniu:

- Introducerea referinei de pH

- Selectarea modului de operare a regulatorului pentru pH

pO2

Valoarea de msurare

a pO2-ului[% pO2]Acces direct la submeniu:

- Introducerea referinei de pO2

- Selectarea modului de operare a regulatorului pentru pO2

FO/LE

Starea de funcionare a regulatorului [on | off]

Acces la submeniu pentru selectarea modului de funcionare.

WEIGH

Greutatea [kg]Acces la submeniu pentru introducerea valorii regulatorului de referin i modul de selecie operaional

ACIDT

Volumul de dozare al pompei [ml]

Accesul la sistemul de calibrare i de resetare a valorii procesului

BASET

Volumul de dozare al pompei [ml]

Accesul la sistemul de calibrare i de resetare a valorii procesului

FOLET

Volumul de dozare al pompei [ml]

Accesul la sistemul de calibrare i de resetare a valorii procesului

SUBST

Volumul de dozare al pompei [ml]

Accesul la sistemul de calibrare i de resetare a valorii procesului

Funcia Trend servete la monitorizarea i reprezentarea grafic a unei variabile de proces alese, pe o anumit perioad de timp. Dezavantajul acestei funcii este c plotarea nu poate fi salvat i totodat perioada de plotare ncepe cu momentul accesrii funciei i are o durat prestabilit. (o or, 12 ore, 72 ore ). Pot fi vizualizate pn la ase variabile de proces simultan. FIGURA 12 Reprezentarea grafic a variabilelor de proces Opiunea Calibration permite accesul la toate funciile de calibrare ale sistemului. Sunt incluse submeniuri pentru calibrarea senzorilor, pompelor peristaltice, dozatoarelor de gaz i balanei.

Toi parametrii de calibrare vor fi stocai permanent i disponibili dup restartarea sistemului, sau nceperea unui nou proces, acetia fiind modificai doar n momentul efecturii unei noi calibrri.2.2 Calibrarea senzorului de pH

Se realizeaz nainte de montarea electrodului n vasul de cultur. Este o calibrare n dou puncte. n timpul msurrii pH-ului sistemul calculeaz valoarea pH, pornind de la voltajul electrodului utiliznd ecuaia Nernst i innd cont de factorii zero, pant i temperatur. Calibrarea senzoriilor se face astfel:- se selecteaz modul Calibrare

-se plaseaz instrumentul ntr-o soluie buffer cu pH=7. Calibrarea dureaz aproximativ 1 minut, apoi va fi afiat o fereastr n care va trebui introdus valoarea exact a pH-ului nscris pe etichet recipientului cu soluia buffer folosit. Aceast etap a reprezentat calibrarea zero-ului electrodului.

- se scoate apoi electrodul i se cltete cu ap distilat

- se introduce n cea de-a doua soluie buffer cu un pH=4 sau pH=9.

Dup care sistemul afieaz o fereastr unde se va completa cmpul SBuffer cu valoarea pH corespunztoare celei de-a dou soluii etalon.

Sistemul va realiza a doua etap a calibrrii i anume calibrarea pantei (Slope calibration). La afiarea valorii stabilizate, se scoate din nou electrodul i se cltete cu ap distilat, apoi se reintroduce n prima soluie cu pH=7 pentru verificare. Dac este indicat o alt valoare pH se repet operaiile anterioare.

FIGURA 13 Calibrarea senzorului de pH

2.3 Calibrarea senzorului pO2

FIGURA 14 Calibrarea senzorului de pO2Operaia este realizat n termeni procentuali de saturaie a oxigenului % pO2. Se consider referin zero valoarea ntr-un mediu fr oxigen i saturaie 100% pO2 valoarea msurat ntr-un mediu optim gazat (debitul dorit pentru proces) i amestecat .

La bioreactoare ale cror vase de cultur sunt sterilizate ntr-o autoclav electrodul pentru msurarea nivelului oxigenului dizolvat este calibrat nainte ca procesul s fie iniiat. Calibrarea dup sterilizare ia n considerare posibilele interferene rezultate ca urmare a impactului cldurii asupra membranei electrodului sau reaciilor chimice cu electrolitul n timpul sterilizrii.

Calibrarea zero-ului se realizeaz nainte de alimentarea bioreactorului cu aer sau gaze cu coninut de oxigen. n timpul procesului de sterilizare mediul de cultur este degazificat aproape complet. Chiar dac rmn urme de oxigen dizolvat n mediul de cultur, eroarea dat de zero-ul considerat se afl n marja de toleran a electrodului. Dac nu se poate msura referina zero nainte ca aerul ( sau amestecul de gaze coninnd oxigen ) s fie introdus n vasul de cultur , se poate conecta o surs de azot (sau un amestec de gaze lipsit de oxigen) gazndu-se vasul pentru a nlocui oxigen dizolvat n mediu i considerndu-se valoarea astfel msurat ca referin 0% pO2 .

Panta poate fi msurat dup gazarea mediului cu aer (sau amestecuri de gaze care conin oxigen), pn la saturaia cu oxigen, n condiiile de funcionare prevzute pentru proces.

Ca i n cazul electrodului de pH, n timpul procesului sistemul micro-DCU calculeaz valoarea pO2, considernd referina zero, panta i temperatura .

La nceperea operaiei de calibrare a electrodului se poate introduce temperatura de referin (temperatura mediului de cultur la msurare), manual sau se poate opta pentru o calibrare automat, n acest ultim caz sistemul folosind temperatura indicat de senzor n vasul de cultur. 2.4 Calibrarea totalizatoarelor pentru pompe i valve

Aceast funcie este disponibili n toate configuraiile. n funcie de modelul bioreactorului sistemul micro-DCU asigneaz submeniuri pentru calibrarea tuturor totalizatoarelor disponibile.

Pompa pentru livrarea acidului n vasul de cultur ( ACID ). Pompa pentru livrarea agentului alcalin n vasul de cultur (BASE). Pompa pentru livrarea agentului antispumant (AFOAM). Pompa pentru substrat (SUBST). Pompa care asigur controlul nivelului n vasul de cultur (LEVEL), n modurile de operare FEED (Alimentare) sau HARVEST(Recoltare). Valva pentru dozarea oxigenului (O2_T). Valva pentru dozarea azotului (N2_T). Valva pentru dozarea dioxidului de carbon (CO2_T).Funciile de calibrare ale totalizatoarelor sunt asemntoare i din acest motiv vor fi prezentate n continuare modalitile de calibrare pentru o pomp i pentru o valv.

Pentru calibrarea uneia dintre pompele peristaltice disponibile este nevoie de dou recipiente, unul plin cu ap, iar cellalt gol (este necesar ca acesta s fie gradat). Se va trece un tub de silicon prin dispozitivul de pompare, iar extremitile acestuia vor fi introduse n interiorul celor dou recipiente. La iniierea calibrrii, pompa va porni i va ncepe s livreze ap din recipientul plin n paharul gradat. La oprirea calibrrii, sistemul afieaz o caset Quantum n care trebuie introdus cantitatea total de ap livrat (citit cu exactitate de pe paharul gradat). Folosind aceast valoare, precum i timpul de livrare sistemul calculeaz debitul pompei respective i l afieaz n program. Dac debitele specifice ale pompelor sunt cunoscute, ele pot fi introduse direct n meniul de calibrare.

n cazul supapelor valorile corespunztoarelor cantitilor de gaz livrate pot fi citite direct de la debitmetre (rotametre) i introduse apoi n meniul de calibrare. Sistemul calculeaz debitul total de gaz livrat n timpul deschiderii a unei supape. Pentru efectuarea unui calcul corect setarea debitmetrului trebuie s fie meninut constant.

n timpul procesului, toate contoarele de dozare pot fi resetate, n orice moment, prin accesarea meniului de calibrare.Seciunea Controller permite vizualizarea modurilor de control al parametrilor de proces precum i parametrizarea regulatoarelor folosite.

Tabelul urmtor prezint tipurile de regulatoare folosite n proces, precum i elementele de execuie aferente.

MrimeaTipul regulatorului

TemperaturaRegulator PID cu ieiri PWM ( pulse-width modulated ).

PWM (k+1) = PWM (k) + PID

Intrarea este reprezentat de semnalul primit de la senzorul de temperatur. Comut n funcie de faza procesului de la tip P la PID. Pentru nclzire acioneaz asupra alimentrii pturii termoelectrice, iar pentru rcire acioneaz asupra sistemului Cooling finger.

Viteza agitatoruluiRegulator tip PI.

Nivelul pH-uluiRegulator PID cu ieiri PWM.

Controleaz pompele de acid i agent alcalin, precum i supapa pentru CO2 n configuraia Exclusive Flow

Nivelul oxigenului dizolvat (pO2)Sistem de reglare n cascad controlnd 1-2 mrimi din lista de mai jos:

Viteza de agitare Debitul de amestec de gaz

Substratul

Debitul de gazRegulator PID cu ieiri PWM.

Controleaz supapele pentru alimentarea cu aer i O2 n configuraia O2-Enrichment

Controleaz supapele pentru alimentarea cu aer, N2 i O2 n configuraia Exclusive Flow,

Spuma Regulator cu ieire tip impuls-pauz. Funcia sa este de a activa sistemul de dozare antispumant pentru o scurt perioad de timp (durata impulsului), dup care urmeaz o pauz. Dup acest interval regulatorul d un alt impuls activnd din nou sistemul de dozare.

NivelulRegulator bipoziional pentru pompa de dozare sau recoltare (n funcie de modul de operare Feed sau Harvest).

SubstratulRegulator PID.

EtichetAfiareDescriere

ModeModurile de operare ale regulatorului.

Off Regulatorul (i servo controller-ele asignate) nu opereaz n proces.

Ieirea este n starea sa definit ( fr ca nici un element de execuie s fie acionat.)

AutoRegulatorul este activ i comand elementele de execuie n funcie de referina presetat.

Servo controller-ele sunt trecute n modul cascade.

Casc Regulatorul Master livreaz referina (semnalul) ctre servo controller.

Nu este permis accesul n meniul servo controller-ului pentru setarea referinei.

Reglarea n cascad nu este disponibil pentru toate regulatoarele prezente.

ProfileRegulatorul opereaz dup un profil temporal.

ManualModul de acces la setarea manual a ieirilor.

Process Value[PV]Variabila de proces i valoarea sa actual n uniti fizice (ex. C pentru temperatur, [rpm] pentru viteza agitatorului, [pH] pentru valoarea pH-ului, etc)

Setpoint[PV]Referina setat pentru variabila de proces (n uniti fizice).

OUT%Ieirea regulatorului.

ParamAcces la parametrii controller-ului (folosind parola 19).

PROFILEMeniul pentru definirea profilului de temporizare a referinelor.

n toate configuraiile, regulatoarele sunt parametrizate astfel nct (n condiii normale de funcionare) s asigure o comportare stabil a mrimilor de proces pe care le controleaz. Pentru a adapta un regulator la comportamentul buclei controlate urmtoarele valori caracteristice pot fi modificate n meniul de parametrizare al regulatorului: MINimum, MAXimum Limitele ieirii regulatorului.

DEADB Stabilirea zonei neutre (deadband) - pentru regulatoarele PID.

Xp, TI, TD Parametrii legii de reglare PID.

ParametruValoareDescriere

MIN (Minimum)%Limita inferioar a ieirii; referina minim pentru servo controller.

MAX (Maximum)%Limita superioar a ieirii; referina maxim pentru servo controller.

DEADB[PV]Deadband (zon moarta); Regulatorul rmne inactiv dac diferena (eroarea) dintre valoarea actual i referin este mai mic dect DEADB.

Xp%Banda de proporionalitate.Este proporional cu semnalul de intrare.

TIsReset time;

Regulatorul acioneaz timp de TI sec apoi se oprete pn n momentul n care este evaluat din nou diferena dintre valoarea actual a mrimii de interes i referina stabilit pentru aceasta.

Dac regulatorul are partea integratoare mai mare,atunci timpul de rspuns al acestuia este mai lent (i invers)

TDsRate time;

Dup compararea valorii curente cu referina, regulatorul ateapt TD sec i este activat numai dac EROAREA > DEADB.

Cascade[Etichet]Controller-ul asignat pentru reglarea n cascad.

Hyst. timem:sTimpul de ntrziere la comutare (pt. controllere on-off).

FIGURA SEQ FIGURA \* ARABIC 6 Sonda antispumant i sonda de nivel

Fig. 3.5 Calibrarea senzorului pO2

FIGURA SEQ FIGURA \* ARABIC 15 Calibrarea dispozitivului de dozare antispumant