Control de la dosificación de gases para la plataforma de biotecnología de microalgas
El Centro de Biotecnología solar de la Universidad de Queensland (UQ) - parte del Instituto de ciencias biológicas moleculares (IMB) - fue fundado en 2016 por el profesor Ben Hankamer y, desde entonces, se ha ido ampliando hasta contar actualmente con cerca de 30 equipos internacionales de investigación en Europa, EE.UU., Asia, Australia y Nueva Zelanda, junto con los correspondientes socios industriales. Su objetivo es acelerar la innovación y comercialización de nuevas tecnologías dependientes del sol, muchas de las cuales está relacionadas con algas verdes fotosintéticas.
Las tecnologías basadas en algas aprovechan los enormes recursos que proporciona el sol, y absorben CO2 para poder ofrecer unas soluciones rentables y alimentadas por el sol que contribuyan a satisfacer la creciente demanda mundial de energía, alimentos y agua, y a encontrar nuevas vías de aprovechamiento del CO2. Estas tecnologías abren las puertas a una serie de posibilidades en el campo de los alimentos y los medicamentos. En ese aspecto, el trabajo desempeñado por el Centro ayuda de forma activa al desarrollo de nuevas oportunidades laborales, a la consecución de un desarrollo regional sostenible, a la industria de la exportación y a tener un futuro limpio, ecológico y sostenible.
El centro de biotecnología solar gestiona plantas piloto para la producción de micro y macroalgas tanto en interiores como en exteriores. Están equipadas para funcionar con sistemas de cultivo de alto rendimiento como biorreactores de tanque, de panel plano, de tubería y elevadores de aire. Entre dichos sistemas podemos mencionar diferentes diseños de biorreactores y parámetros de proceso, así como la verificación y caracterización de cepas de producción.
Ya existe una completa infraestructura, incluyendo CO2 y aire comprimido con sus respectivas tuberías y tecnologías de automatización para el funcionamiento de los biorreactores.
Modernización de un sistema de automatización de biorreactores obsolescente
El sistema de control de posición existente para los biorreactores al aire libre se construyó hace casi 15 años, por lo que el Centro tuvo que afrontar los altos costes que suponía el reequipamiento de la instalación por parte de otros proveedores. A consecuencia de ello, la Universidad encargó a DSI-Tec que la instalación se equipara con un sistema de control nuevo. Juntos, diseñaron un nuevo sistema de monitorización y control para los biorreactores, que permitía dosificar el CO2 controlando el pH y calibrar los sensores de forma remota. En primer lugar, el nuevo sistema de automatización se debería implantar en el interior, en las plantas de producción, antes de ampliarse hasta las instalaciones exteriores.
DSI-Tec estudió una serie de opciones y proveedores de caudalímetros y controladores másicos y otros equipos necesarios, pero siempre acabó recurriendo a Bürkert.
Una vez tomada la decisión, Bürkert invitó a David Horton, director de DSI-Tec, a su Systemhaus de Sídney para hablar detalladamente acerca del proyecto. Para el sistema de control se necesitaban válvulas e instrumentos especiales, y el laboratorio debía contar con un diseño realizado a medida para comunicarse con una plataforma Siemens S7-1200 mediante una red PROFINET ya existente. Además, el sistema de control de posición debía estar concebido para un uso futuro, y su diseño tenía que permitir sucesivas actualizaciones mediante la adición de equipos adicionales.
El primer requisito consistía en la preparación de un transmisor para ocho sondas de pH analógicas. Para ello, Bürkert suministró dos unidades del modelo multiCELL Tipo 8619 de Bürkert, cada una de ellas con PROFINET y cuatro módulos de pH. El valor del pH y otros datos de diagnóstico son enviados directamente a la red PROFINET para la monitorización y el control.
El segundo requisito consistía en la preparación de cinco controladores másicos de caudal (MFC) para la dosificación del aire, con la posibilidad de conectarle en el futuro otros 20 MFC.
Para poder estar equipados para futuras ampliaciones, Bürkert suministró cinco de sus MFC basados en su plataforma Efficient Device Integration Platform (EDIP). De esa forma, el resultado era una estructura modular que permitía añadir equipos en función de las necesidades de la aplicación. La pasarela Tipo ME43 de Bürkert, configurada para PROFINET, ofrece una interface para el sistema de control.
Datos como la velocidad de caudal, la totalización y la temperatura del fluido se proporcionan de serie. Otros datos adicionales, como las horas de servicio o los datos de calibración y el estado del sensor pueden extraerse de cada MFC en caso necesario. A través del software Communicator de Bürkert se pueden conectar a la red y configurar futuros MFC.
Los bloques y cuerpos de válvulas específicos del cliente cumplen con todos los requisitos.
El tercer requisito consistía en la preparación de electroválvulas para la dosificación del CO2. Con este fin, Bürkert suministró una solución formada por bloques en acero inoxidable con un sistema de válvulas apropiado. Dicho bloque fue diseñado in situ, y fue suministrado directamente por Bürkert Australia e instalado sobre un riel normalizado de acero inoxidable, permitiendo un montaje sencillo y una gran facilidad en el mantenimiento. Las cinco válvulas se controlan directamente desde las salidas digitales del PLC de Siemens.
«Para Bürkert, el desafío consistía en lograr alojar in situ la solución en el escaso espacio destinado a ella», indicó Dean Bryant, director del área nacional para el manejo de microfluidos y gases en Bürkert Fluid Control Systems. «Por eso tuvimos que diseñar un cuerpo de válvula estrecho independiente capaz de alojar todos los MFC y válvulas».
Bürkert preparó las HMI y los armarios eléctricos como parte de sus soluciones, para facilitar la configuración de sus sistemas en diferentes ubicaciones.
«El sistema terminado consistía en una combinación de PLC y HMI Siemens S7-1200, que incorporaba un maestro PROFINET con el que se comunicaban los demás equipos a través de la pasarela ME43 de Bürkert», añadió Bryant.
Se realizó una prueba de aceptación en fábrica (FAT) en el Systemhaus de Sídney antes de la puesta en marcha . Incluyó, además, una verificación de la secuencia y de la estanqueidad. Bürkert invitó a la Universidad y a DSI-Tec a una nueva reunión in situ para volver a realizar conjuntamente todas las pruebas pertinentes. Se instalaron y enchufaron conectores de mamparo neumáticos adicionales para que el sistema estuviera preparado para futuros MFC e instalaciones de válvulas.
Un paso más allá en la investigación de la UQ
La estrecha colaboración entre la UQ, Bürkert y DSI-Tec, desde el diseño conceptual hasta la instalación, garantizaba que el proyecto fuera entregado exactamente según los deseos del cliente; de forma puntual y dentro del presupuesto establecido. «La actualización de la automatización de la planta de producción en interiores no solo permitía controlar, de forma remota y con la máxima precisión, los cultivos de microalgas para la producción de biomasa de alta calidad, que posteriormente se emplea para el desarrollo de medicamentos, alimentos y nanomateriales biológicos y ecológicos», indicó la Dra. Juliane Wolf, responsable de investigación y directora de proyectos.
«En cuanto volvamos a realizar un escalado para modernizar la automatización y logremos integrar nuestras plantas de producción en exteriores, podremos reducir los costes de producción y extender nuestros desarrollos ecológicos a la producción de combustibles y a servicios ambientales».
«Nuestras plantas piloto en interiores y exteriores son decisivas para nuestro trabajo, y estamos muy agradecidos a DSI-Tec y a Bürkert por su apoyar nuestro trabajo de forma profesional y constructiva mediante la creación de los sistemas de regulación que necesitábamos», indicó el profesor Hankamer. «El sistema hará que todo nuestro trabajo de I+D pase al siguiente nivel del diseño del sistema y nos permitirá escalarlo de manera que podamos concebir unos productos renovables y unos puestos de trabajo orientados al futuro gracias a una producción basada en la energía solar».
El proyecto de los biorreactores en la UQ nos demuestra la gran capacidad de Bürkert para conseguir unas soluciones integrables de conformidad con la Industria 4.0. La capacidad de Bürkert para adaptarse a sistemas ya existentes, requisitos y plataformas preestablecidas suponen una ventaja adicional respecto de su competencia de cara al mercado. Gracias a los Systemhaus ubicados localmente en Australia (concretamente en Sídney), Bürkert puede ofrecer a sus clientes un asesoramiento y unos entornos de pruebas prácticos, y acceso directo a expertos en soluciones de producto, además de poner a su disposición el equipo de diseño de la empresa.
Products
Transmisor/controlador multicanal/multifunción multiCELL
- Opción de conexión directa a la mayoría de sensores de caudal, pH/ORP, cloro o conductividad
- Interfaz de mando intuitiva y sencilla con pantalla gráfica grande, retroiluminación ajustable (4 vistas definidas por el usuario)
- Hardware con opciones de ampliación (hasta 6 conexiones de enchufe libres)
- Ethernet industrial disponible de manera opcional (Modbus TCP, PROFINET o EtherNet/IP)
- Ampliación de la funcionalidad mediante software opcional
Pasarela de bus de campo
- Pasarela para estándares de bus de campo y Ethernet industrial
- Hasta 128 variables de entradas y 128 de salidas transmisibles
- Integración más fácil en el nivel de control de procesos mediante archivos de descripción de dispositivos específicos del sistema
- «Batch Controller», para una dosificación precisa de los líquidos
- Mayor disponibilidad de la instalación gracias a PROFINET S2 (redundancia de sistema)
Mass Flow Controller (MFC)/ Mass Flow Meter (MFM) para gases
- Rangos de caudal nominal de 0,010 lN/min a 160 lN/min (relativo al nitrógeno)
- Gran precisión y repetibilidad en la medición
- Tiempos de reacción muy rápidos
- Sustitución de dispositivos sencilla gracias a la memoria de configuración
- Opcionalmente: conformidad según USP clase VI, FDA y CE 1935