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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA INFORME FINAL DE SERVICIO SOCIAL

Ingeniería Bioquimica Industrial

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“PUESTA EN MARCHA Y VERIFICACION DE FUNCiONAMlENTO DE UN METABOLIMETRO DISEmADO PARA MEDIR GASES PROVENIENTES

DE CULTIVOS DE FERMENTACION SOLIDA”

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Nicolás Oscar/Soto Cruz -I

1

Asesores:

M. en C. Mariano Gutiérrez

M. en C. Miguel Cadena

1 4 6 6 5 4

A G R A D E C I M I E N T O S

A mis padres porque les debo todo lo que soy y por que este pequeño trabajo representa el fin de un esfuerzo, sostenido durante muchos años, para procurarme una educación. ;Gracias!

A los M. en C . Mariano Gutierrez y Miguel Cadena por brindarme su amistad y permitirme trabajar bajo su acertada dirección.

Al Dr. Ernesto Favela y al Ing. José Miguel Prieto por la enorme ayuda prestada para la realización del presente trabajo y especialmente por permitirme ser su amigo.

Al Dr. Gerard0 Saucedo por darme la oportunidad de trabajar con é l , por su paciencia para terminar mi servicio social y sobre todo poi: su amistad y consejos.

A Carmen por su cariño y comprensión.

1 .

2 . 3 . 4 . 5 . 6 .

7 . 8 .

CONTENIDO . Página

Introdu.=ciÓn ................................................. 1

1.1. ¿Qué es un Metabolímetro? ............................... 5

Objetivos generales y específicos ............................ 5 Metodología empleada ......................................... 6 Actividades realizadas ....................................... 7

Objetivos y metas alcanzadas ................................. 7 Resultados y conclusiones ..................................... 7 6.1. Conclusión ............................................. 12

Recomentlaciones ............................................. 12

Bibliografia ................................................ 11

Anexo I (Manual de usuario)

Anexo I:[ (Inventario de partes y componentes) .

PUESTA EN MARCHA Y VERIFICACION DE FUNCIONAMIENTO DE UN METABOLIMETRO DISEÑADO PARA MEDIR GASES PROVENIENTES DE CULTIVO8 DE

FERMENTACION SOLIDA.

una de las actividades principales que se desarrollan en la Universidad es la investigación, ésta es llevada a cabo por el personal docente, de manera continua, con la colaboración temporal de los alumnos. En la división de Ciencias Biológicas y de la Salud (CBS) y en particular en el departamento de Biotecnología, existen grupos de investigación con orientacianes específicas, pero en estrecha colaboración con otras áreas e incluso con otras divisiones.

Dentro del área de Microbiología, una de las lineas principales de investigación es el estudio de la fermentación sólida (FS). En FS, como en todo proceso microbiológico, es importante la cuantificación del desarrollo y metabolismo de la biomasa; para lo cual se recurre a métodos indirectos de medición, como es la cuantificacidn de los gases producto del metabolismo microbiano (bióxido de carbono producido y oxígeno consumido). De la colaboración entre investigadores de la Planta Piloto de Fermentaciones y del área de Ingeniería Biomédica de la División de Ciencias Básicas e Ingeniería (CBI) de esta unidad, surgió el diseno de un aparato capaz de realizar mediciones del contenido de bióxido de carbono (Coz) y oxlgeno ( 0 2 ) en los gases efluentes de una columna de FS (Cornejo et al, 1 9 9 2 ) . Este aparato puede, gracias a una unidad multiplexora electromecánica, seleccionar entre 1 6 columnas de FS (Prieto et al, 1 9 9 2 ) , para hacer mediciones continuas de cada una de ellas, así como llevar un registro de los resultados; todo esto bajo el control de una computadora tipo PC, adecuadamente programada.

1.. INTRODUCCION.

La fermentación sólida (FS) es un proceso de cultivo microbiano, en el cual el crecimiento se da tanto en la superficie como en el interior de una matriz porosa sólida, en ausencia de circulación de liquido; esto es, sin la presencia de agua libre (Lonsane et al. 1 9 8 5 ) . Entre las características más relevantes de la FS, pueden citarse las siguientes:

-Es más complejo que un sistema sumergido debido a la existencia de gradientes de temperatura, pH y humedad que provocan una interrelación ambiente-sustrato-microorganismo con diversas limitaciones.

-La transferencia de masa en el interior de la partícula es el paso limitante en cuanto a velocidad de crecimiento y asimilación de sustrato.

-Al contrario de lo que ocurre en cultivos sumergidos, la cuantificación del crecimiento es un poco difícil por métodos tradicionales; como los métodos de densidad óptica, cuenta directa de células, determinación de proteína, DNA, etc.

1

Dentro de las principales ventajas de la FS, pueden contarse (Lonsane et al., 1985; Hesseltine, 1987):

-Disminución de contaminaciones, resultado de la baja humedad del medio de icultivo, así como la disminución de los efluentes líquidos a t.ratar.

-Dificultades mínimas para llevar el proceso en continuo o en semicontinuo.

-Condiciones de cultivo más próximas a las de la naturaleza.

-Fácil aexeación debido a la porosidad del material.

-Volumen de fermentación más pequeño que en cultivo líquido, a cant idades iguales de sustrato.

Las principales desventajas son:

-Riesgo de una elevación excesiva de la temperatura.

Difícil regulación de los parámetros de cultivo.

-Necesidad de dar pretratamiento a los soportes.

-Problema:; de pérdida de humedad para las fermentaciones de larga duración.

La FS se ha aplicado tradicionalmente para la elaboración de alimentos fermentados como los quesos madurados, algunas preparaciones de origen oriental a base de arroz y trigo (Raimbault, 1980) y otras, originarias de America, hechas a base de maíz, como el pozo1 ; últimamente se le ha buscado aplicación en la producción de etanol (G.ibbons y Wetsby, 1988), enriquecimiento proteico (Raimbault, 1980) y producción de enzimas (Fukushima, 1982; ROUSOS, 1985).

El seguimiento y control de la fermentación requiere conocer ciertos parámetroc, como son: características de crecimiento, importancia de la cantidad y actividad del agua, control del medio ambiente y de las descargas gaseosas, control de la temperatura, control del pH y cuantificación o estimación de la biomasa.

En cuanto a las características de crecimiento, puede decirse que, los hongos filamentosos, dado su desarrollo por elongamiento apical y ramificación de filamentos, son los mejor adaptados a la colonización de superficies sólidas (Raimbault, 1980). Las bacterias y levaduras crecen en la superficie, pero sobretodo en las cavidades del soporte utilizado (Ramesh y Lonsane 1991). En todos los casos es probable que los gradientes en el interior de la matriz sólida afecten el desarrollo (Saucedo, 1991).

Por otra parte, la cantidad de líquido presente en la fase sólida está determinada por la capacidad de retención de agua del soporte.

2

A s i , tenemos tres zonas de disponibilidad de aTa: una de disponibilidad casi nula con un Aw entre O y 0 . 2 , otra intermedia con un Aw que va de 0.2-0.6 y una más, donde hay agua libre, con Aw entre 0.6 y 0.9. Se tiene, además, que los microorganicmos requieren de los siguientes Aw: bacterias de 0.85-0.99, levaduras de 0.75-0.9 y hongos de 0.6-0.9 (Doelle, 1985). El agua, además de intervenir en la constitución de los microorganismos, es importante en la difusión de nutrientes y productos a través de la matriz sólida (Oriol, 1987); si hay agua libre en el medio, se reduce la porosidad de la matriz y también el intercambio gaseoso. En fermentadores estáticos, el control del Aw y la humedad se da, modificando el equilibrio entre la fase sólida humedad y la humedad relativa del aire que circula a través del fermentador, apoyandose en propiedades como el punto de rocio y el calor latente de evaporación del agua (Gervais, 1987; Barstow, 1988; Ryoo, 1991). Los sistemas de control en FS, pretenden controlar simultáneamente la humedad y la temperatura del medio (Saucedo, 1991).

En FS el control del medio ambiente y de los intercambios gaseosos se da con la concurrencia de dos mecanismos: la transferencia interpartícula, que ocurre entre la fase gaseosa y la interfase gas- sólido y la transferencia intraparticula de 02 y C02; la cantidad de agua absorbida debe ser suficiente para facilitar la difusión en la fase sólida sin que por ello se disminuya la porosidad y la transferencia de masa por convección. El control se realiza regulando la velocidad del aire y la humedad relativa del medio, obteniendose valores ?e kla significativamente mayores a los obtenidos en fermentac.iÓn sumergida (Durand et al., 1988).

Ya se mencionó que una de las principales desventajas de la FS es el peligro de elevación excesiva de la temperatura, ya que la producción de calor puede alcanzar 3200 kcalfkg de materia seca (Rathbun y Shuler, 3983), con una velocidad de generación del orden de 80 kcal/h*kg de materia seca (Raimbault 1980). De manera que el control de la temperatura es determinante para que el calor excesivo no afecte el metabolismo y desarrollo de los microorganismos. Dicho control se realiza regulando el aire que atraviesa el fermentador, valiendose del calor latente de evaporación del agua (580 kcalfmol) , esto es, el control se da por enfriamiento evaporativo (Barstow et al. , 1988: Ryoo et al. , 1991). El pH del medio se controla agregando sales minerales que producen un efecto tampón. Las sales más usadas son el NH4S04 y la urea (Raimbault, 1980).

En fermentación sólida como en todo proceso que involucre crecer microorganisrnos y/o aprovechar sus intermediarios o productos metabólicos; es importante tener indicadores confiables para registrar en linea, de manera más o menos continua, el estado metabólico de un cultivo. Dependiendo de los fines que se persigan, el conocer indicadores del metabolismo puede servir para seguir el consumo de un determinado sustrato, la producción de algún metabolito o incluso la via metabólica que está usando el microorganismo .

3

Para tener indicadores del metabolismo, pueden hacerse observaciones a nivel macroscópico (,por ejemplo medir la tasa de producción de etanol) o bien medir parámetros intracelulares que afecten directamente la regulación del metabolismo (por ejemplo la concentración de AMP cíclico) (O'Connor et al, 1992). Es preferible obtener mediciones de parámetros macroscópicos, siempre y cuando la medición sea confiable y la información que se obtenga sea un buen indicador de io que ocurra a nivel de los microorganismos y sus vías metabólicas. Entre los indicadores macroscópicos del metabolismo, destaca la medición del oxlgeno consumido y del bióxido de carbono producido, ya que los datos obtenidos pueden relacionarse con diversos aspectos del metabolismo y proporcionar información amplia y valiosa. Actualmente se han desarrollado diversos métodos para la medición de oxígeno y bióxido de carbono que permiten obtener mediciones muy confiables.

Los datos obtenidos se pueden relacionar directamente con diversos aspectos del metabolismo, por ejemplo: un descenso drástico en la tasa de producción de bióxido de carbono está asociado con el momento en que se completa la conversión de un sustrato determinado (por ejemplo glucosa o etanol) (Spruytemburg et al, 1979) ; por otra parte, conocer la cantidad de bióxido de carbono producida en un proceso de cultivo microbiológico, permite contar con un termino más de la ecuación de balance de masa (Ecuación de Minkevich) y determinar algún otro factor desconocido en la ecuación. Un incremento sostenido en la tasa de consumo de oxígeno se da durante la fase logarítmica de crecimiento, alcanzando un pico al final de la fase. As1 mismo, un descenso en la tasa de consumo de oxlgeno es muestra de una deficiencia en el suministro de azúcar, lo cual se refleja como retardo del crecimiento (Sakurai et al, 1985). Es posible disefiar un sistema de control de flujo de la glucosa que se suministra a un cultivo, basado en una respuesta dada después de obtener mediciones de la tasa de consumo de oxígeno (O'Connor et al, 1992). Una vez obtenidas las mediciones de bióxido de carbono y oxlgeno, ademas de poder relacionarlas de manera directa a diversos aspectos del metabolismo, es posible obtener un parámetro, en el que se relaciona a ambos, denominado cociente respiratorio (RQ).

El cociente respiratorio definido como:

Bióxido de carbono producido RQ = ..............................

Oxlgeno consumido.

es una proporción del intercambio gaseoso metabólico (McArdl, 1981).

El RQ es muy sensible a variaciones metabólicas y puede proporcionar informacidn de muy diversa indole. Es posible conocer el tipo de sustrato metabolizado para obtener energía, a partir del valor de RQ por ejemplo: para carbohidratos RQ=1.00, para grasas RQ=0.70, para proteínas RQ=0.82 (McArdl, 1981), para etanol RQ=0.67, para ácido acético RQ=1.00, etc. (Watteeuw et al, 1979). En el metabolismo

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fermentativo RQ es siempre mayor a 1 y en metabolismo respiratorio RQ menor o igual a 1 (Spruytemburg et al, 1979) por lo cual es posible detectar cambios de un tipo de metabolismo hacia el otro, observando cambios en el RQ (Aiba, 1976).

Watteeuw et al (1979), encontraron que midiendo RQ, la fluorescencia del cultivo y el NADH, es posible conocer la vía metabólica por la cual Candida u t i l i s obtiene energía a partir de etanol, además, registrando estos parámetros es posible el control de la concentración de etanol de un sistema computarizado. Diversos trabajos se han encaminado a desarrollar sistemas computarizados de control para procesos de cultivo basadas o apoyados en la medición del RQ (Spruytemburg et al, 1979; Watteeuw et al, 1979 y O'Connor et al, 1992).

1.1. &Que es un Metabolímetro?

Un metabollmetro es un aparato capaz de obtener mediciones de algún o algunos parámetros que puedan servir como indicadores del comportamiento metabólico de un cultivo de microorganismos. En particular el aparato aqul presentado, permite al investigador obtener mediciones del bióxido de carbono y oxígeno presentes en los gases ef:luentes de columnas de fermentación sólida, o bien de diversas regiones de un fermentador piloto.

La medición de bióxido de carbono y oxígeno se ha empleado con fines de evaluación del metabolismo, desde la década de los 70:' (Aiba et al, 1976; Wang et al, 1977; Spruytemburg et al, 1979; Watteeuw et al, 1979; O'Connor et al, 1992). En la mayoría de los casos se utilizan analizadores basados en cromatografía de gases; O'connor et al, (1992) reportan el uso de un analizador Perkin Elmer MGA 1200 para análisis de gases. sakurai et al (1985) reportan el uso de un manómetro horizontal Taiyo 02 Up Tester (Taiyo scientific CO., Tokio) para la medición de la actividad respiratoria da Aspergillus oryzae crecido en un medio sólido. La compañía Columbus Instruments International Corporation (Columbus, Ohio) fabrica y vende un Oz/Coz Respirometer que hace mediciones con censores específicos para. oxígeno y bióxido de carbono. El Metabolímetro MGM3, objeto de este trabajo, está descrito en los Anexos I y 11.

2 . OBJETIVOS GENERALES Y ESPECIFICOS.

En el presente trabajo se plantearon en un inicio los objetivos que se detallan a continuación:

1.-Levantar un inventario de las partes y componentes del aparato. 2.-Poner en marcha el aparato y aprender su funcionamiento, mediante pruebas con mezclas conocidas de gases. 3.-Determinar la necesidad de equipos periféricos que pudieran optimizar el funcionamiento del aparato o de alguna de sus partes. I.-DiseAar y construir los periféricos necesarios. 5.-Realizar dos corridas con cultivos de fermentación sólida. 6.-Dicefiar y elaborar un manual de usuario.

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J. METODOLOGIA EMPLEADA.

Para dar cumplimiento al objetivo número 1, fue necesario el asesoramiento de los investigadores que construyeron el aparato, para la identificación física de los diferentes componentes del equipo. El trabajo fue dividido en cuatro fases debido a que el Metabolimetro está constituido por tres unidades principales y diversos accesorios externos a cualquiera de las unidades. En cada una de las fases, la metodología fue la siguiente:

1) Identificar un componente de la unidad. 2) Describir flsicamente el componente, así como su función dentro de la unidad y su interrelación con los demás componentes de la unidad. 3) Asignar una clave de identificación y colocar una etiqueta con dicha clave. 4 ) Redact.ar las observaciones realizadas para integrar una descripción detallada del aparato. 5) Repetir los pasos 1) a 4 ) para cada componente de la unidad en cuestión.

La observación del modo de manejo del aparato por parte de los constructores, fue la Única metodologia empleada para la puesta en marcha y el aprendizaje del manejo del aparato.

Para el diseño de los periféricos construidos la metodologia fue:

a) Para l a tapa:

1) Tomar medidas de las dimensiones del sistema a cubrir. 2 ) Hacer un dibujo de la tapa. 3 ) Ordenar su construcción. 4 ) Montar la tapa sobre el sistema.

b) Para las separadores individuales de condensado:

1) Consultar las recomendaciones que para el caso están publicadas (Perry y C!hilton, 1 9 8 6 ) . 2 ) Dimencionar el separador siguiendo las recomendaciones referidas (las dimensiones del separador líquido-gas están basadas en un diámetro principal). 3) Ordenar la construcción de los separadores. 4 ) El colector múltiple de condensado se diseñó solo en base a las dimensiones de los separadores y previendo una adecuada circulación de aire entre los mismos. 5) Montaje de los separadores sobre el colector y conexión al sistema: Columnas de FS-Dispositivo de condensación-Metabollmetro.

Para la elaboración del manual de usuario, la metodologla fue la siguiente:

1) Aprendizaje del manejo del aparato y realización de las rutinas de USO del aparato. 2 ) Anotar observaciones de la pantallas que aparecen en el monitor.

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3) Redacción del manejo paso a paso incluyendo las pantallas correspondientes y las figuras del equipo.

4 . ACTIVIDADES REALIZADAS.

1) Revisión bibliográfica sobre el tema de la Fermentación Sólida.

2) Aprendizaje del manejo del Metabolímetro MGM3.

3) Identificación, diseño y construcción de los periféricos necesarios para el mejor funcionamiento del equipo, as1 como para SU acoplamiento al sistema de FS utilizado en la Planta Piloto de Fermentaciones.

4 ) Diseño y elaboración de un manual de usuario.

5,, OBJETIVOS Y METAS ALCANZADAS.

De los seis objetivos planteados originalmente en el anteproyecto de servicio social, se cumplieron totalmente cinco de ellos; el objetivo ntímero 5 no se cumplió debido principalmente a deficiencias en el modo de presentación de los datos por parte del equipo, explicar estas deficiencias queda fuera del alcance del presente trabajo.

Con el cumplimiento de los objetivos 1 a 4 y 6 se lograron las siguientes metas:

1) Levantar un inventario del Metabollmetro MGM3.

2) Identificación, diseño y construcción de los periféricos mencionadcm e ilustrados en los resultados del presente informe.

3:) Diseño y elaboración de un manual de usuario.

6 . RESULTADOS Y CONCLUSIONES.

1) RevisiBn bibliográfica a cerca del tema de la Fermentación Solida, así como :La utilización de la respirometría con fines de la medición del metabolisino microbian0 en FS. La introducción del presente documento es un resumen de la revisión.

2 ) Diseño y elaboración de un Manual de Usuario, en el cual se dan características y especificaciones del Metabollmetro MGM3, a continuación se dan las recomendaciones principales para la instalación del equipo. Finalmente, se detallan los procedimientos de manejo del Metabolímetro MGM3 paso a paso y apoyandose en presentaci.ones de las pantallas que se muestran en el monitor de la computadora del aparato (ver Anexo I).

3 ) Elaboración de un inventario de partes y componentes dividido en una descripción detallada del Metabollmetro MGM3 y un resumen de los componentes del mismo en forma de cuadros (ver Anexo 11).

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4 ) Diseño de los siguientes periféricos:

a) Una tapa para el sistema de 16 columnas de FS. Este trabajo también incluyó el diseiio de conectores para las entradas y salidas de aire del sistema de FS (ver figuras 1 y 2).

b) Separador liquido-gas para retirar aproximadamente un 50% de la humedad presente en los gases efluentes de una columna de Fermentación Sólida (ver figura 3 ) . Se mandaron construir 32 separadores para poder conectar dos en serie para cada columna, a fin de retirar la mayor cantidad de agua posible.

c ) Un colector múltiple de condensado (ver figura 4 ) que permitiera montar sobre él los separadores de humedad (ver figura 5 ) .

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Figura 1. Tapa del sistema de columnas de FS 1. Disposic lon de 10s 16 o r l f i c l os de en t rada de aire 2. Dlsposic lón de los 16 o r i f i c i os de sa l ida de aire

3. Bar ras de sostén de la tapa Las dimensiones de la tapa son.

Largo = 4 6 cm Ancho = 2 9 cm A l tu ra = 11 5 cm

Las barras de sosten son de ángulo de aluminio de 1"

y d e 36 c m de long i tud

- -¡gura 2. Conector interior-exterior

Los conec to res es tán c o n s t r u i d o s e n N y l o n

Sus d imens iones son :

Largo = 6 c m

Diámet ro d e l a cuerda = 0.96 c m

Diámet ro i n te r i o r = 0.3 c m

Espesor mín imo de pa red = 0.1 c m

9

1 4 6 6 3 4

1 D e # 2

D

D S C \ I 3

Fig, 3

m r

1. En t rada de gas humedo

2. Sa l ida de gas con menor humedad

3 . Sal ida de condensado D = Dlámetro p r inc ipa l = 1.1 cm De = Diámetro de en t rada = 0.37 cm

Dsg = Diámetro de sa l ida de gas = 0.37 cm

Dsc = Dlárnetro de sa i lda de condensado = 0.2 cm

Htc = A l tu ra de tubo cón ico = 4.5 cm Hsg = A l tu ra de sa l ida de gas = 1 cm

n

" H t r = A l tu ra de tubo rec to = 8 cm

Se parador I Íqu i do-y as

10

B I cm '15

VISTA SUPERIOR 58 cm I--

I 4 ~ 1 I LATERAL 1-9 c m 4

F'ig, 4, Dimensiones del co lec to r m u l t i p l e de condensado . E l gas proveniente de l a s columnas de FS. e n t r a d i rec tamente en l o s separadores co locados en l os o i i f i c l o s marcados 1-16. E l gas que sa le de los pr imeros separadores pasa a l o s s igu ien tes marcados 1'-16'

I 1 t-- 58 cm-1

F I Q 5, V i s t a frontal del colector mult ip le de condensado, en la que se Se muestran tambien

de purga de muestra a los separadores ya colocados las separaciones en t re las camaras y los o r i f i c ios a ci u a c o nd e n s ad a

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6 .1 . Concl.usiónes.

EL Metabolimetro MGM*permitirá aumentar el alcance de las investigac:iones que se desarrollan en el campo de la FS, as€ como SU diversificación. Una vez que se ha sido usuario del Metabollmetro, se ha comprobado que su diseño permite al investigador contar con un equipo de muy fácil manejo, que requiere de poca vigilancia una vez iniciado e1 proceso de medición y del que se obtiene información muy valiosa para el seguimiento y comprensión de un proceso de FS.

Es deseab:Le proporcionar a un aparato como el Metabollmetro MGM3 un medio ambiente de operación que permita alargar su vida Útil. Ya que este equipo está construido a base de delicados componentes electrónicos, el utilizarlo con gases de elevada humedad relativa ocasionara un deterioro muy rápido especialmente en la unidad multiplexora de gases; para evitar esta situación, se construyó un bloque de separadores de humedad y se probó bajo condiciones reales de trabajo, concluyendose que la humedad que retira (aproximadamente un 50%) del aire es suficiente para evitar la condensación dentro de la cámara del multiplexor de gases.

Por otra parte, es indispensable contar con documentos que deben acompañar a todo equipo que se adquiera para fines de uso cotidiano, como son un inventario del equipo y un manual de usuario; al concluir el presente trabajo, se cuenta con ellos y se alcanzan de esta manera las metas principales planteadas en un principio.

7 . RECOMENDACIONES.

Los perifléricos construidos aunque útiles, son poco prácticos y se recomienda hacer mejoras a su diseño, en aras de hacer más cómodo su uso.

Dado que el equipo es aún suceptible de mejoras y que estas se están llevando a cabo, es importante actualizar y mantener al día tanto el Manual como el Inventario, para que el usuario del aparato siempre tenga a la mano la ayuda necesaria para obtener el mayor provecho de la utilización cotidiana del Metabo1imetro.i

8. BIBLIOGRAFIA.

Barstow L. M., Dale B. L., Tengerdy R. P. (1988). Evaporative temperature and moisture control in solid substrate fermentation, Biotechnoll. Techniques, 2, 237-242.

Cornejo C. J. M., Cadena M. M., Prieto N. J. N., Favela E., Gutierrez M., Gaitan M. J., Carrasco S. S., Gonzalez C. R. (1992). Diseño preliminar de un metabolimetro para fermentadores en sustrato sólido, En impresión para las memorias del XV Congreso Nacional de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Biomédica.

Doelle H. W. (1985). Biotechnology of solid substrate fermentation in the produc:tion of food, ASEAN Food J., 1, 10-14.

12

Durand D., Pichon P., Desgranges C . (1988). Approaches to kla measurements in solid state fermentation, Biotechnol. Techniques, 2, 11-16.

Gervais P. Bazeliii C. (1986). Development of solid substrate fermentator allowing the control of the substrate water activity Biotechnol.. Letters, 8, 191-196.

Hesseltine C. W. (1987). Solid state fermentation An overview, Int Biodetermj.nation, 23, 79-89.

Lonsane B. K., Ghildyal N. P., Budiatman S . , Ramakrishna S . V (1985). Engineering aspects of solid state fermentation, Enzyme Microbiol. Technol., 7, June, 258-265.

McArdle, D. W. (1981). Exercise Physiology. LEA and FEBIGER. Philadelphia.

O'Connor, G. M., Sanchez-Riera, F. and Cooney, C. L. (1992). Design and evaluation of control estrategies for high cell density fermentations, Biotechnol. Bioeng., 39, 293-304.

Oriol E. (1987). Croissance de Aspergillus niger sur milieu solide: Importance de l'eau et de l'activité de l'eau, These de Doctorat Microbiologie, Institut National Sciences Appliquées de Toulouse, France, 133 p.

Prieto N. J. N., Cornejo C. J. M., Cadena M. M., Favela E., Gutierrez M., Gaytan M. J., Carrasco S . S . , Gonzaiez C. R. (1992). Multiplexor de gases metabolicos, En impresión para las memorias del XV Congreso Nacional de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Biomédica.

Raimbault M. (1980). Fermentation en Milieu Solide. Coissance de champignoris filamenteux sur substrat amilacé, These Doct. es Sci., Universiti! Paul Sabatier, Toulouse, France, 291 p.

Ramesh M. V. and Lonsane B. K. (1991). Regulation of Á-amylase productioris in Bacillus licheniformis M27 by enzymes end-products in submerged fermentation and its overcoming in solid state fermentation system, Bj.otechno1. Letters, 13, 355-360.

Rathbun B. L., Shuler M. L. (1983). Heat and mass transfer effects in state-subctrat fermentations chambers, Biotechnol. Bioengeneering,

Ryoo D., Murphy V. G., Karim M. N., Tengendy R. P. (1991). Evapporatj.ve temperature and moisture control in a rocking reactors for solid substrate fermentation, Biotechnol. Techniques, 5, 19-24.

25, 929-938.

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Saucedo-Castañeda J. G. (1987). Contribución al estudio de la fermentación sólida: Enriquecimiento proteico y conservación por ensilaje, Tesis Maestría en Ciencias Ingeniería Química, Universidad Autónoma Metropolitana, Iztapaiapa, México, 169 p.

Saucedo-Castañeda J. G. (1991). Contrale du métabolisme de Schwaniomyces castelli cultivé sur support colide, These Doct. es Sci., Université Montpellier 11, Montpellier, France, 182 p.

Watteeuw, C. M., Armiger, D. L., Ristroph, D. L. (1979). Production of single cell protein fron ethanol by fed-batch process. Biotechnol. Rioeng., 21, 1221-1237.

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ANEXO I

h-d -

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

METABOLIMETRO MGM3 Manual de USUARIO

CONTENIDO . Página

Presentaci. ón .................................................... 1

1 . Introducción ................................................. 1

2 . Características y especificaciones ........................... 1

3 . Instalación .................................................. 2

4 . Operación del Metabolímetro MGM3 ............................. 3

4.1. Arranque del MGM3 ....................................... 5

4.2. Medici6n ................................................ 5

4 . 3 . Calibración ............................................. 7

4.4. Consulta de datos estadlsticos .......................... 9

4.5. Transferencia de datos estadísticos ..................... 9

4 . 6 . Interrupciones ......................................... 10

4 . 7 . Terminación ............................................ 11

PRESENTACTON.

¡Hola!, sea usted bienvenido como nuevo usuario del equipo Medidor de Gases Metabólicos 3 (Metabolímetro MGM3). El Metabolímetro MGM3 (ai cual de aqui en adelante llamaremos por comodidad sólo MGM3), ha sido creado para responder a las actuales necesidades de medición del metabolismo que existen en todo laboratorio donde se realice investigación sobre Fermentación Sólida (FS).

El manual que tiene usted en sus manos, está dirigido a personas inexpertas en el manejo de computadoras PC, tiene como propósito principal el de guiarle de una manera sencilla en el manejo del MGM3 que est6 usted a punto de iniciar. El diseño mismo del MGM3, contempló un manejo sencillo; sin embargo, este manual pretende facilitar aun m6s el manejo sobre todo al inicio, ya que con el Uso cotidiano usted en poco tiempo se convertirá en un usuario experto.

1.- INTRODUCCION.

El MGM3 realiza de manera automática la selección de la toma de muestra a analizar. Una vez conectada la toma, se realizan de manera consecutiva mediciones de flujo volumétrico, y después oxlgeno y bióxido de carbono presentes en el gas.

Los datos obtenidos se almacenan dentro de un archivo especifico para cada experimento en el disco duro de la computadora que gobierna todo el sistema. Los datos guardados pueden después ser recuperados para su tratamiento estadístico.

2.- CARACTERISTICAS Y ESPECIFICACIONES.

La principal característica del MGM3 aquí presentado, es su capacidad para registrar de manera continua procesos de FC de larga duración que una vez programados requieren una vigilancia casi nula por parte del usuario. Esto es posible gracias al control que lleva de todo el equipo la computadora integrada en él. Otra característica relevante es su capacidad para registrar de manera continua hasta 15 columnas de FS diferentes, seleccionandolas en forma secuencia1 gracias a su unidad multiplexora de gases.

El hecho de gobernar el sistema por medio de una computadora, permite también tener una interacción con el usuario mientras se lleva a cabo el proceso de registro en continuo del proceso de FS; de esta forma se tiene la posibilidad de presentar la información almacenada, ya sea del proceso del que se est6 registrando la información o bien de procesos acteriores, y eventualmente tomar decisiones para optimizar el proceso o detenerlo si se considera conveniente. Es posible ademas, hacer transferencia de datos desde el disco duro (donde se almacenan) hacia un computador huésped por medio de una unidad de disco flexible (5 1/4") para su tratamiento estadístico posterior. La conjunción de un diseño como el que posee el MGM3 con la utilización de componentes de la más alta tecnologia a nivel mundial permiten obtener mediciones confiables de los siguientes parámetros: flujo voiumétrico en el rango de 0-1000 ml/min, concentración de bióxido de carbono cle O-15% y concentración de oxígeno de O-21%.

1

4,46654

Las especificaciones del Metabolímetro MGM3 se resumen a

Pardmetros que mide

Rangos de medición.

Principios de me- idición.

cant inuición :

Ox€geno, bióxido de carbono y flujo.

Oxígeno: O-21% Bióxido de carbono: O-15% Flujo: 0-1000 mi/min

Oxígeno: Paramagnetismo. Bióxido de carbono: Espectrofotometría de

absorción en el infra- rrojo.

Reproducibi 1 idad.

Tiempo de respuesta

Oxigeno: _+0.3% Bióxido de carbono: idem

Oxigeno: 4 segundos con un flujo de 30 ml/min Bióxido de carbono: Idem

Temperatura de operación.

5 a 50 OC

contiene al MGM3. Largo: 83 cm.

Gas que se alimenta al aparato.

No corrosivo, no flamable, libre aceite, con baja humedad relativa.

3.- INSTAILACION.

Evitese instalar el MGM3 en lugares donde este expuesto a un ambiente húmedo y i i vibraciones.

Como lo indican las especificaciones, la toma de corriente a la que se debe conectar el equipo, deberá suministrar 110 volts de corriente alterna, requiriendose además de una tierra férrica.

Pesa total del MGM3 Aproximadamente 4 0 Kg.

para conectar las tomas desde las columnas de FS o desde un reactor piloto, se deben usar mangueras flexibles de 114 de pulgada de diámetro interno.

4.- OPERAC!ION DEL METABOLIMETRO MGMi.

La presente sección tiene la finalidad de presentar al usuario, de una manera breve, la forma de uso del MGM3; aunque el mismo usuario podrá darse cuenta al operar el equipo, que éste le lleva de la mano todo el t jtempo.

En primer lugar se presentan las vistas posterior y frontal del MGM3 para proporcionar una visión global que permita localizar los componentes con que tendrá interacción directa el usuario (Ver figuras i y 2).

3

I

t I I V

2

1. M a n l j a d e l a p u e r t a

2 . I n t e r r u p t o r g e n e r a l

3. E n t r a d a d e l a l i n e a p r i n c i p a l

de a l l r n e n t a c l ó n d e c o r r i e n t e e l é c t r i c a .

4 . E n t r a d a a c c e s o r l a db c o r r i e n t e e l e c .

5 . S a l i d a d e l a i re e x t r a i d o d e l m u l t i p l e x o r

Fig 1, Vista posterior del MGM3

I

1 Rotámet ro II

2 . Moni tor 3. CPU 4 . Teclado 5. D ispos ic ión de las d i e c i s e i s e n t r a d a s d e

g a s e s a med i r

Fig 2. Vista frontal del MGM3

4

4 . 1 . -QUE DEL MGMi.

1) Accionar hacia arriba el interruptor general del aparato que permite el paso de la energía eléctrica a todo el sistema. El interruptor general se localiza en la parte posterior del MGM3 como puede verise en la Fig. 1.

2 ) Poner a funcionar la computadora colocada en el frente del aparato, inmediatamente aparecerá en el monitor la siguiente panta 1 la :

Pantalla #i:

Entre otras cosas...esta pantalla permanecerá durante x min. a no ser que se presione alguna tecla para comenzar un nuevo experimento o utilizar la computadora para otros fines.

3) Pulsar <ENTER>, aparecerá en el monitor la Pantalla 82.

4 ) Esperar 4 5 minutos de precalentamiento, en los cuales no se deberá ejecutar ninguna acción en el MGM3.

5) Apagar el MGM3 accionando hacia abajo el interruptor general situado en la parte posterior.

6 ) Repetir los pasos 1) -3 ) y, ya estando en la Pantalla #2, elegir la opción que desee.

Pantalla #2:

1. Consulta. 2. Medición. 3. Calibración. F. Fin.

Opción: -

Para eleqir cualquiera de las opciones de esta pantalla, pulsar la tecla que corresponda al número de la opción, por ejemplo si se desea calibrar, se pulsa la tecla <3>; a partir de aquí se abre toda una gama de posibilidades que serán descritas por separado. Si se va a registrar de manera continua un experimento nuevo se recomienda primero elegir la opción 3 (calibrar) y realizar la calibración de flujo y a que la calibración de C02 y de O2 se lleva a cabo

5

automáticaLmente, una vez que se calibró el flujo, se puede elegir la opción 2 (medición).

4 .2 . MEDIC!ION.

Una vez que se ha llegado a la pantalla #2, se puede elegir la opción 2 que introducirá al usuario al proceso de programar un experimento de muesti-eo de 1 o hasta 15 columnas de FS o bien 15 tomas

provenientes de un reactor piloto. Los pasos a seguir son 10s siguientes;:

1) Pulsar la tecla <2>.

2 ) En lei pantalla se le requerirán al usuario los datos del experimento, mismos que se proporcionarán de uno en uno.

3) Una vez completados los datos del experimento se interroga al usuario, a cerca de la veracidad de los mismos, si desea corregir alguno responda presionando <N>, en caso contrario responda presionando <S>; ai final aparecerá la siguiente pantalla, en la cual el mensaje que aparece en la parte baja lo escribe la maquina, es decir, el número de ciclos a realizar lo fija el aparato en base a los datos proporcionados, especificamente el número de tomas a muestrear y la duración de experimento.

Pantalla iP3:

DATOS DEL EXPERIMENTO - --------- Nombre del usuario: GS Nombre del experimento: Aire3 Presión barométrica: 578 Temperatura (QC): 23 Número de tomas: 1 Tiempo por ciclo de recorrido: O min O seg Fecha (dd/mm/aa) : 25/2/93 Hora (hh:min:seg) : 12:11:20 Nombre del archivo de datos: Aire3.dat Duración del experimento (horas): 24

NiLmero de ciclos a realizar: 1440 ¡]Hora y fecha actualizadas! Oprima <ENTER> para' continuar ...

4 ) Pulsar <ENTER>, aparecerá la pantalla #4, la cual permanecerá durante algunos minutos, después será sustituida por la pantalla #5.

6

Pantalla >$4 :

Calibración automática: Gas 82 02=80%, C02=5% En estabilización.. .

En la pantalla 15 se presentan los datos del experimento que ya está corriendo y la(s) medición(es) actual(es), sin embargo, las mediciones de todo el experimento se guardarán en el archivo Aire3.dat, correspondiente al ejemplo dado, inmediatamente después de realizarse; a partir del momento en que aparezca la pantalla # 4 , el MGM3 se hace cargo del proceso y usted sólo tendrá que hacer calibración del flujo 3 veces al día es decir cada 8 horas, sin preocuparse por calibrar C02 y ya que! como pudo usted darse cuenta en la pantalla # 4 , el 0&8M3 realiza estas calibraciones automáticamente y además lo hace de manera periódica. La pantalla #5 permanecer6 durante las horas que dure el experimento a menos que usted interrumpa intencionalmente, lo cual será explicado más adelante.

Pantalla #5 :

Cabe mencionar que la pantalla anterior no es exactamente igiial todo el tiempo, ya que el mensaje que aparece en la parte inferior le informa constantemente a cerca de lo que está haciendo el MGM3 en ese momento.

7

4.3. CALIHRACION.

1) Estando en la pantalla #2, elegir la opción 3 pulsando la tecla <3>, aparecerá la siguiente pantalla:

Pantalla #6:

1. Flujo 2. 02 3. c02 F. Fin

opción: -

2 ) Para calibrar el flujo elegir la opción 1 pulsando la tecla <1>, aparecerá la siguiente pantalla:

E'antalla #7 :

CALIBRACION DE FLUJO: ..................... 1. Flujo alto (Sugerencia: 500 mi) 2. Flujo bajo (Sugerencia: O mi) 3. Flujo desconocido F. Fin

Opción: - .

?I) Se debe calibrar primero flujo alto, para lo cual se elige la opción 1 pulsando la tecla <1>, aparecerá la siguiente pantalla, en 1.a cual se tecleó 100 cc/min en la opción '*Flujo altog1 de la Pantalla #8.

Pantalla #8 :

CALIBRACION DE FLUJO:

Flujo = 9 9 . 9 9 cc/min .....................

1. Flujo alto (Sugerencia: 500 mi) 2. Flujo bajo !Sugerencia: O mi) 3. Flujo desconocido F. Fin

Opción: 2

Flujo alto= 100 AID Flujo = 442 AID y1 = 443 AID y2 = 442

8

4 ) Ajustiir el flujo a 100 cc/min en el Rotámetro que se localiza (arriba a la derecha en la parte frontal del MGM3 (ver figura 2), usando la válvula inferior del Rotámetro.

5 ) Pulsar <ENTER>.

6) En la parte superior izquierda de la pantalla aparece el mensaje I'Flujo = 99 . 99 cc/min" , los números estarán variando durante algunos instantes,, cuando se estabilicen en 1 0 0 cclmin, el flujo alto estará calibrada, pulsar <ENTER>.

7 ) Calibre ahora al flujo bajo, para lo cual, elija la opción 2, pulsando <2>, aparecerá una pantalla exactamente igual que la número 8 , sólo que ahora se le pedirá el flujo bajo, pulsar < O > , ajustar el flujo a 0.00 cc/min en el Rotámetro cerrando totalmente la válvula.

8) Pulsar <ENTER>.

9 ) Cuando el flujo se estabilice en 0.00 cc/min, el flujo bajo se habrá cal.ibrado, presione <ENTER> y regresará a la pantalla #7.

10) Presj.one la tecla <F> para volver a la pantalla #6.

11) Si así lo desea puede calibrar oxlgeno y bióxido de carbono, el procedimiento es similar al que se detalló en los pasos 2) al lo), sin embargo, tome en cuenta que el MGM3 realiza estas calibraciones en forma automática por lo que el usuario NO necesita hacerlo manualmente.

12) Una vez que se encuentre en la pantalla #6 después de calibrar, pulse la tecla <F> y volverá a la pantalla f 2 , con lo cual habrá concluido la rutina de calibración.

4 . 4 - CONSULTA DE DATOS ESTADISTICOS.

1) Una vez que se encuentre en la pantalla #2, si se desea consultar algún archivo de datos, se elige l a opción 1, pulsando la tecla <I>, con la cual aparecerá la siguiente pantalla:

Pantalla #9

1. Consulta 2. Medición 3. Calibración 4 . Fin

Archivo de datos o archivo de pruebas (DIP)?-

I

I 2 ) Responder pulsando la tecla <D>, aparecerá una pantalla similar a la pantaltla #9.

9

3) Se pedirá el nombre del archivo de datos que se desea consultar. No olvidar agregar la extensión U. dat" , por ejemplo teclear: "AireJ. dal;*l y después pulsar <ENTER> , aparecerá nuevamente Una pantalla isimilar donde se pedirá la presentación que se desea, Si en pantalla (3 impresora, elegir la opción que desee.

4 ) Una vez que se termine de obtener la consulta, pulsar cualquier tecla para volver a la pantalla #2.

4 . 5 . TRANSFERENCIA DE DATOS ESTADXSTICOS.

1 ) Estando en la pantalla #2, elegir la opción Fin para entrar a leer el disco (duro de la computadora, aparecerá en la pantalla el mensaje: " C\ >-I' . 2 ) Entrar al subdirectorio llamado 8nP-PILOTO*g que es donde se encuentran almacenados los archivos de los experimentos ya registrados. Para entrar a este subdirectorio, teclear: <cd p-piloto> y pulsar la tecla <ENTER>. Aparecerá el mensaje: 88C\P-PILOTO\>".

3) Insertar su disco en el drive A.

I ) Para copiar el archivo que desee, teclear como en el siguiente ejemplo: <Copy Aire3.dat a : > <ENTER>, el archivo aire.dat será copiado al disco flexible y usted podra llevarlo a otra computadora para hacer tratamiento estadlstico de los datos del archivo.

1.6 INTERRUPCIONES.

usted como usuario del equipo, puede desear hacer una interrupción del proceso de medición por alguna razón, por ejemplo para hacer la calibración diaria de flujo o para abortar el experimento, para lo cual prosiga como sigue:

1) Estando en proceso de medición, es decir, con la pantalla f5 en el monitor, pulsar cualquier tecla y esperar a que aparezca la siguiente pantalla :

Pantalla #lo: 1 - INTERRUPCION DEL USUARIO:

Nota: Al pulsar cualquier tecla el proceso de captura de datos no se interrumpe, a menos que desee abortar el experimento, por lo tanto el usuario puede hacer calibración (es) manualmente y continuar con el experimento.

1. Calibración manual 2. Abortar el experimento 3. Continuar >-

10

2 ) Seleccione la opción que desee.

3) Para hacer calibración manual de flujo (aunque puede, si as1 lo desea, calibrar oxígeno,y/o bióxido de carbono -recordar que esto lo hace regularmente el MGM3-) elegir la opción 1 pulsando <1>, aparecerá la pantalla #6. Proceda como en c ) .

4 ) Si se desea dar por terminado el proceso de medición elegir la opción 2 pulsando <2>, aparecerá la pantalla #2.

5) Si só:Lo deseaba una interrupción momentánea, elegir la opción 3 pulsando <3>, aparecerá nuevamente la pantalla 15 y el proceso de medición continuará.

4.7. TERMINACION.

A continuación se describirá la manera correcta de dar por terminado un proceso de medición y apagar el MGM3. PRECAUCION: NUNCA TERMINE EL PROCESO PULSANDO <Ctrl+Alt+Del> NI PRESIONANDO EL BOTON DE "RESET" QUE SE ENCUENTRA EN EL CPU, PORQUE SE PUEDE DAÑAR EL MGMi.

1) Estando en la pantalla # 2 , elegir la opción Fin pulsando iF>, aparecerá en la pantalla el mensaje iiC\>-ii.

2 ) Accione hacia abajo el interruptor general del MGM3.

:3) Si en el monitor aparece la pantalla #5, es decir, si se está .llevando a cabo el proceso de medición, pulsar cualquier tecla y espere a que aparezca la pantalla #io.

4 ) Elegir la opción 2 pulsando < 2 > , aparecerá la pantalla #2. Proceda a realizar los pasos 1) y 2 ) .

11

ANEXO II

---.L.

UNRVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

METABOLIMETRO MGM3 Inventario de Partes y Componentes

CONTENIDO . Página

1 . Unidad Multiplexora .......................................... 1

1.1. Conjunto electromecánico ................................ 1

1.2. Bloque de acondicionamiento de señales .................. 3 2 . Unidad de Transductores ...................................... 3

3 . Unidad de Adquisición. Control. Almacenamiento y Despliegue .. 4 4 . Fuente:; de Poder ............................................. 5

5 . Resumen del inventario por Cuadros ........................... 5

Unidad Multiplexora de Gases (Unidad A) ...................... 6

Unidad de Transductores (Unidad B) ........................... 8

Unidad de Adquisición. Control. Almacenamiento y

Despliegue (Unidad C) ........................................ 9

Componentes externos (Clave E) .............................. 10

INVENTARIO DE PARTES Y COMPONENTES.

DESCRIPCION DETALLADA DEL EQUIPO.

El Metabolímetro MGM3, está constituido por tres unidades (unidad multiplexora, unidad de transductores y unidad de adquisición almacenamiento y despliegue) que cumplen funciones propias, pero que están estrechamente relacionadas; de hecho, las funciones de cada una de las unidades dependen del correcto acoplamiento con las otras dos. A continuación se detalla el funcionamiento de estas tres unidades que se encuentran incluidas, junto con las fuentes de poder, dentro de un mueble metálico que tiene las siguientes dimensiones: 180 cm de altura, 61.5 cm de ancho y 83 cm de profundidad.

1. Unidad Muitipiexora.

La unidad multiplexora tiene las siguientes dos funciones: las de seleccionar una de hasta 16 columnas de fermentación sólida (FS), o de hasta 15 tomas de muestra de un reactor piloto y *oconectarlaoo a la unidad de transductores para realizar las mediciones correspondientes. La realización de estas funciones, se da gracias al acoplamiento de los tres bloques que forman la unidad. Los bloques son: a) Conjunto electromecánico, b) Bloque de acondicionamiento de señales y c) Bloque de control digital.

. L . 1 . conjunto electromecanico.

El conjunto electromecánico, está contenido dentro de un cubo de paredes die acrllico de 6 mm de espesor, cuya base es un cuadrado de 18 cm de lado, y su altura es de 13.8 cm. Las entradas a la cámara, están dispuestas en círculo (de aproximadamente 11.5 cm de diámetro), en cuyo (centro se localiza un motor de pasos que gira en arcos de 1 . 8 O . En la parte superior de este motor va sujeta una barra, de 14.8 cm de lclngitud por 4 . 5 cm de ancho, que sostiene en uno de sus extremos una bobina, destinada a levantar el émbolo colector (una vez que el muestre0 de una columna ha terminado) y bajarlo cuando se Logró posicionar en la siguiente entrada; en el centro de la bobina (que es hueca), va un tubo de aluminio encamisado en su parte baja con hierro a través del cual pasa el gas de la entrada seleccionada hacia la salida que lo lleva a la unidad de transductores, por medio de una manguera flexible de 1/4”. Energizando la bobina se consigue levantar el émbolo colector, desconectandolo así de la entrada ya muestreada; al retirar la corriente de la bobina, un resorte hace bajar el émbolo colector conectandolo a una nueva entrada.

El correcto posicionamiento del émbolo colector, se consigue mediante iin fotodetector móvil colocado en la barra, a un costado de la bobina; este fotodetector, determina que el émbolo está convenientemente posicionado, cuando encuentra una paleta de cobre fija, colocada a un costado de cada entrada, que interrumpe su haz de luz, indicando que el émbolo corresponde ya con una entrada. El MGM3 determina la posición inicial (de acuerdo a la numeración de las entradas -ver Figura 1-) valiendose para ello de un fotodetector fijo (I) colocado al fondo de la cámara, cuyo haz de luz es interrumpido por una paleta móvil, sujeta al otro extremo de la barra.

1

Figura I . Disposición de las en t radas al multiplexor. Todas las entradas se encuentran en el piso de la cámara que contiene al multiplexor.

2

El avance del émbolo colector se da como sigue: primero recorre de la entrada 1 a la entrada 8, ya que pasado este punto, el fotodetector fijo (11) ve interrumpido su haz de luz por la paleta móvil, indicando que se ha llegado al extremo en ese sentido, el sentido se invierte y el émbolo va a la entrada 9 y de ahí recorre hasta la 16, después de la cual el fotodetector fijo (11) vuelve a marcar el extremo en ese otro sentido, volviendo a comenzar en el punto inicial (entrada 1) y el proceso se repite. En la parte alta de la pared posterior de la cámara, existe una salida, de 3 / 4 " , que tiene la función die extraer los gases de la cámara por medio de un mecanismo de succión. Dicho mecanismo están compuesto por un motor de 115 volts tie corriente alterna (CA) y un ventilador, ambos están dentro de una cámara formada por dos conos aproximados por la base (de aproximadamente 8.5 cm de diámetro), separados 3.8 cm (espesor del {conjunto motor-ventilador) ; entre la alimentación y el motor existe un transformador que baja el voltaje de 110 volts a aproximadamente 60 volts con objeto de regular la velocidad de succión a niveles adecuados.

1.2. Bloque de acondicionamiento de señales.

Los fotosensores, el motor de pasos y la bobina están conectados al bloque de acondicionamiento de señales que funge como conexión entre el conjunto electromecánico arriba descrito y el bloque de control digital. Las ordenes que controlan el motor de pasos y la bobina, provienen del bloque de control digital en forma de señales eléctricas, sin embargo, no pueden pasar directamente ya que el voltaje Ir el tipo de corriente no son los adecuados; la computadora maneja 11.0 volts de CA, mientras que la bobina funciona con 100 volts de CA y el motor de pasos con 12 volts de corriente directa (CD); por otra parte, los fotodetectores, envian señales de 5 volts de CD hacia la computadora. Por esto, es necesario que las señales originadas en uno y otiio lado sean transformadas al voltaje y tipo de corriente que correspondan con los que maneja el dispositivo a que se destinan. Tal func:iÓn es llevada a cabo por la tarjeta que constituye el bloque de acond:Lcionamiento de señales.

2 . Unidad de Transductores.

La salida de la unidad multiplexora se conecta directamente con la entrada de la unidad de transductores, que es una manguera de Tygon de diámetro interno >1/4", ésta manguera conduce el gas hasta una cámara de mezclado, la cual se compone de cinso secciones circulares conectadiis entre sí por orificios, de aproximadamente 0 . 5 cm de diámetro, dispuestos de tal forma que favorezcan el mezclado y homogenización de los componentes del gas de entrada. Dicha cámara está construida en acrílico de 0.5 cm de espesor, cada sección tiene 1..2 cm de altura y un diámetro de 6 cm. La salida de la cámara conecta a un flujómetro marca Hans Rudolph, que a temperatura constante mide en el rango de 0-1000 ml/minuto. Para medir el flujo se sirve de un transductor de presión de reluctancia marca Valydine capaz de detectar presiones del orden de fl pulg. de Agua. La salida del flujijmetro es una manguera de Tygon de diámetro interno >1/411 que lleva el gas hasta la atmósfera. Antes de que esto suceda, se toma una muestra de la manguera de salida por medio de una manguera de

3

dibnetro interno de aproximadamente 1/16" que luego se reduce a aproximadamente 1/3218 para después pasar a una microvdlvula de conmutaciijn marca Westbroock (s3) que permite, o no, el paso del gas hacia los sensores de C02 y 02, ésta microvdlvula tiene un espacio muerto <0.2 ml. Una vez que la microválvula S3 ha permitido el paso del gas, éste pasa por una cámara de deshidratación que enfría por medio del efecto f8Peltierg8 y permite la salida del agua condensada a través de una membrana inorgánica del tipo 81naphion81. Una válvula de restricción ajustable, controla el flujo del gas desde la cámara de deshidratación hacia los sensores; el flujo se regula a 30 ml/minuto. El sensor de oxigeno, marca Servomex, es del tipo paramagnético con una salida de 0-1 volt para el rango de 0-100%; tiene un tiempo de respuesta de 4 segundos con un flujo de 30 ml/minuto. El transductor encargado de la medición de COZ, marca Sensors, está basado en la técnica de espectrofotometría de absorción en el infrarrojo, contiene un detector de estado sólido a base de selenio y plomo. Desde que se toma la muestra, hasta que se descarga a la atmósfera, el flujo a través de la unidad de transductores, se da gracias a la acción de una bomba de vacío, marca Wisa, que puede absorber hasta 200 ml/minuto. Dicha bomba provoca el flujo, lo mismo si el gas proviene de la unidad multiplexora o de alguna de las fuentes de gases de calibración. Para la calibración de los sensores de O2 y de COZ, se utilizan gases con cantidades conocidas de uno o ambos compuestos. Para calibrar el sensor de Coz, se hace pasar un gas que no contenga bióxido dle carbono y se fija ese punto como O% de C02; siendo más confiable, para las mediciones problema, fijar dos puntos, se toma otro gas con 5 % de COZ y se fija éste segundo punto. El transductor de 02 se calibra de la misma manera, es decir, se toman dos gases de concentraciones conocidas de oxígeno y se ajustan las respuestas del sensor.

3 . Unidad de Adquisición, Control, Almacenamiento y Despliegue.

Las func.iones desempeñadas por ésta unidad son: a) Controlar, b) Digitalizar y c) Almacenar los datos obtenidos de los sensores, control tiel posicionamiento de la unidad multiplexora de gases y despliegue de datos a solicitud del usuario. Para realizar estas- funciones, esta unidad está basada en una computadora del tipo PC, marca Printaform, que está soportada por una tarjeta de adquisición de 16 canales multiplexados , que es un convertidor analógico-digital (entrada y salida digital) que recibe las señalen provenientes de las otras dos unidades y las digitaliza, también envía las ordenes correspondientes a cada componente del equipo que lo requiera.

Para almacenamiento de datos posee un disco duro de 40 megabytes y una unidad de disco flexible (51/4") que permite transferencia a un computador huésped para el tratamiento estadístico de los datos. Para el despliegue de datos posee un monitor blanco y negro con tarjeta Hércules de alta resolución. Un programa codificado en lenguaje Pascal 5.5. y un programa a nivel ensamblador, controlan los procesos de medición y despliegue.

4

4 . Fuentes de poder.

Además de las tres unidades ya descritas, el aparato cuenta con las fuentes de poder necesarias para suministrar el voltaje adecuado a las partes que no pueden tomar directamente los 110 volts de corriente alterna que normalmente se tienen en las tomas de corriente.

Una vez conectado el aparato, la corriente pasa a un conector que la distribuye a tres fuentes de poder y una barra de alimentación. Existe una fuente de poder que recibe 110 volts de CA y entrega 15 volts de CD, esta fuente alimenta a la tarjeta del bloque de acondicionamiento de señales en la unidad multiplexora. Una fuente de poder que recibe 110 volts de CA y entrega +12 volts de CD, alimenta al transductor de bióxido de carbono, al flujómetro y a- las microválvulas solenoides en la unidad de transductores, ademas de alimentar ai motor de pasos (a través de la tarjeta de acondicionamiento de señales) en la unidad multiplexora.

Una tercera fuente de poder que recibe 110 volts de CA y entrega f5 volts y :t24 volts de CD. Con 55 volts de CD alimenta ai transductor de oxígeno, con 5 volts de CD alimenta al transductor de bióxido de carbono y la cámara de deshidratación en la unidad de transductores. Con 24 volts de CD alimenta al transductor de bióxido de carbono.

Un transformador que recibe 110 volts de CA y entrega 24 volts de CA, alimenta a la bomba de vacío en la unidad de transductores. La barra de alimentación que entrega 110 volts de CA alimenta la computadora. Ea bobina (100 volts de CA) de la unidad rnultiplexora se alimenta a través de la tarjeta de acondicionamiento de señales, misma que recibe corriente de la barra de alimentación (y de las otras fuentes). Existe además un relevador que tiene como función, la de no permitir sobrecalentamientos en las lineas de alimentación, cortando el suministro de corriente, cuando así es necesario. Un eiiminador de picos, mantiene un suministro constante de corriente para evitar daños, pcr descargas, a los delicados componentes del equipo.

5 . Resuman del inventario por Cuadros.

icon el cibjeto de tener una visión rápida de los componentes del metabolínietro, en las siguientes páginas se presenta, en forma de cuadros, un resumen del inventario; dicho resumen menciona a cada componente, el número que hay de ellos, las dimensiones y/o capacidad de cada uno, además de asignarles una "clave" que permite identificarlos fisicamente, ya que cada componente lleva pegada (siempre que esto fue posible) una etiqueta con la clave asignada en el resumen. La clave se compone de una letra (que se asignó arbitrariamente) que corresponde a la unidad en que se encuentra el componente y un número también designado arbitrariamente.

5

-- METABOLIMETRO. INVENTARIO DE PARTES Y COMPONENTES. -

UNIDAD MULTIPLEXORA DE GASES (UNIDAD A). - 'arte

- -

Al

- A2

Capacidad y / o Dimensiones.

Descripción.

Cubo de 18 cm por lado, con pared de 0.6 cm de espesor.

Cámara contenedora del bloque electro-mecánico, construida en acrilico.

Motor de pasos (1.8O/paso) 1 12 volts, 75 ohms.

14.5 cm de longitud 4 . 5 cm de ancho.

3.1 cm de diámetro, 4 cm de altura, con 2400 vueltas de un alambre del No. 27. Opera con 100 volts de CD.

A3 1 Barra de posicionamiento.

A4

- A5

Bobina. 1

1 Diámetro 1/4", 6.5 cm de altura y 2.3 cm de encamisado.

rub0 de aluminio con camisa de hierro en su parte baja.

A6 Manguera flexible. de diámetro. 1

1

1

A7 Embolo colector de plastic0 flexible.

2.4 cm de diámetro en la base.

Fotodetector móvil. 5 volts y el diodo emisor tiene 330 ohms.

A8

A9

A10

All

-

-

- A12

- A13

- A 1 4

Fotodetector fijo I. Idem.

Idem. Fotodetector fijo 11.

Paletitas de cobre. 2.3 cm de altura y 4 mm de ancho.

Capacitor. 500 microfaradios, 200 volts.

Regulador de voltaje. Pasa y mantiene, de 15 a 12 volts.

Transistores de potencia. 12 volts.

Al 5 - - LM339 para el motor.

6

1 4 6 6 5 4

7

METABOLIMETRO. INVENTARIO DE PARTES Y COMPONENTES.

UNIDAD DE TRANSDUCTORES (UNIDAD B).

Descripción. Capacidad y / o Dimensiones.

Microválvula solenoide S2.

Microválvula solenoide S3.

B2

Idem.

Idem.

B3

I = :

-- --

I.

Válvula de restricción. Flujo ajustable.

Flujómetro 11. 0-100 ml/minuto.

2

B16

I. o

24 volts de CA. Sensor de bióxido de carbono. 5 volts de CD.

512 volts de CD.

Sensor de oxígeno. O-100% de conc. -+5 volts de CD.

Bomba de vacío. Hasta 200 ml/min.

Tanque con gas de calibración 35 litros.

24 volts de CA.

Camara de mezclado y Cada sección tiene homogeneización, dividida en 1.2 cm de altura y 5 secciones, construida en 6 cm de diámetro. acríiico. la pared tiene 0.5

Mangueras de Tygon. Diámetro >)íVV.

Mangueras de Tygon. 1/16V8 de diámetro.

cm de espesor.

11 B4 1) 5 11 Mangueras de Tygon. 11 1/32" de diámetro. ~~~

Flujómetro I.

Transductor de presión de reluctancia.

Microválvula solenoide S1.

0-1000 ml/minuto. f5 volts de CD.

Sensibilidad de fl pulgada de agua.

Espacio muerto menor de 0.2 ml. 12 volts de CD.

11 B10 11 I. 11 Cámara de deshidratación. 11 5 volts de CD.

8

C6 1

9

Capacidad y/o I Dimensiones. Descripción.

Computadora tipo PC.

16 canales

12 bits de resolución.

Tarjeta de adquisición. multipiexados.

Disco duro. 40 Mega bytes.

Unidad de disco flexible. 5 1/4 pulgadas.

Monitor blanco y negro. Alta resolución.

Teclado. 84 teclas.

METABOLIMETRO. INVENThRIO DE PARTES Y COMPONENTES.

E2

HOJA 5 de 5

E3

E4

E5

E6

E7

- E8

E9 - =

:1

1

1

1

~~

Descripción.

Mueble metálico.

Conector.

Fuente de poder I.

Fuente de poder 11.

Fuente de poder 111.

Transformador.

Barra de alimentación.

Relevador.

Eliminador de picos.

Capacidad y10 Dimensiones.

1 8 0 cm de altura. 61.5 cm de ancho. 83 cm de profundo.

6 conexiones para 110 volts de CA.

Recibe 110 volts de CA y entrega 15 volts de CD.

Recibe 110 volts de CA y entrega f12 volts de CD.

Recibe 110 volts dé CA y entrega f5 y _+24 volts de CD.

~

Recibe 110 volts de CA y entrega 24 volts de CA.

Recibe 110 volts dc CA y entrega 110 volts de CA en 6 posibles conexiones

110 volts CA

10