Sistema Embebido para un biorreactor: aplicación a
la fermentación de azúcares
Embedded system for a bioreactor: application to sugar fermentation
Danilo Figueroa Paredes
#1
, Gonzalo Alvarez
#2
, Mauren Fuentes Mora
#3
, Ramiro Sanchez
#4
#
INGAR/CONICET-UTN, Instituto de Desarrollo y Diseño
Avellaneda 3657, Santa Fe, Argentina
1
dfigueroa@santafe-conicet.gov.ar
2
galvarez@santafe-conicet.gov.ar
3
mfuentes@santafe-conicet.gov.ar
4
rsanchez@santafe-conicet.gov.ar
Abstract— The focus of this project is on the development
and implementation of an embedded system to improve the
control and efficiency of a bioreactor. The advantages of this
system are examined, highlighting its ability to monitor in real
time, ensure accuracy and stability, provide flexibility, enable
remote monitoring and telemetry, as well as its potential
scalability and cost-effectiveness. The study focuses on the
integration of this system in a bioreactor for the fermentation of
sugars using microorganisms in order to optimize the accuracy,
productivity and quality of the process. A detailed analysis of
the technical aspects is provided, including the use of Arduino
boards, the programming of these boards and their connection
with sensors and actuators for the monitoring and adjustment
of critical variables such as temperature and pH. It also
highlights the remote connection capability of the system, which
allows users to monitor and manage the processes from any
location with Internet access. This approach is intended to
improve the efficiency and reproducibility of biotechnological
processes, as well as to provide greater flexibility and control in
their operation.
Keywords: Fermentation; Industry 4.0; Bioreactor;
Simulation.
Resumen— El enfoque de este proyecto se centra en el
desarrollo y la implementación de un sistema embebido
destinado a mejorar el control y la eficiencia de un biorreactor.
Se examinan las ventajas de este sistema, resaltando su
capacidad para supervisar en tiempo real, garantizar precisión
y estabilidad, ofrecer flexibilidad, posibilitar la monitorización
remota y la telemetría, así como su potencial escalabilidad y
rentabilidad. El estudio se concentra en la integración de este
sistema en un biorreactor para la fermentación de azúcares
utilizando microorganismos con el propósito de optimizar la
precisión, productividad y calidad del proceso. Se proporciona
un análisis detallado de los aspectos técnicos, incluyendo el uso
de placas Arduino, la programación de estas placas y su
conexión con sensores y actuadores para el monitoreo y ajuste
de variables críticas como temperatura y pH. Asimismo, se
destaca la capacidad de conexión remota del sistema, lo que
permite a los usuarios supervisar y administrar los procesos
desde cualquier ubicación con acceso a Internet. Este enfoque
se plantea con el objetivo de mejorar la eficiencia y la
reproducibilidad de los procesos biotecnológicos, así como
proporcionar una mayor flexibilidad y control en su operación.
Palabras clave: Fermentación; Industria 4.0;
Biorreactor; Simulación
I.
INTRODUCCIÓN
La
introducción
de
tecnologías
de
digitalización,
comunicación en tiempo real por Internet y
el procesamiento masivo de datos digitalizados está
dando forma a la Cuarta Revolución Industrial, con un
impacto profundo en los procesos productivos a nivel global.
En este contexto, los sistemas embebidos, que comprenden
tanto componentes de hardware como de software diseñados
para funciones específicas dentro de sistemas más
amplios, juegan un papel fundamental [1]. Estos
sistemas, que funcionan bajo restricciones de tiempo real,
están presentes en una amplia gama de
dispositivos, desde electrodomésticos hasta
sistemas médicos. Esencialmente, los
sistemas
embebidos
son
unidades
que
integran procesadores de computadora,
memoria y dispositivos de entrada/salida, operando dentro
de sistemas más grandes y cumpliendo con parámetros de
tiempo específicos. Su versatilidad se refleja en su
aplicación en industrias como automoción,
aeroespacial, medicina, electrónica de
consumo, entre otras [2] Su contribución es crucial para
impulsar la automatización, mejorar la eficiencia y facilitar
la conectividad en los diferentes sectores industriales,
impulsando así el avance de la Cuarta Revolución Industrial.
Los biorreactores sirven como ambientes cerrados para el
tratamiento de células o microorganismos en condiciones
óptimas de temperatura y humedad. En el pasado, los
biorreactores operaban manual o físicamente,
con limitaciones en el control y la manipulación. En la
era actual de los sistemas integrados, el paradigma de
control ha experimentado una transformación radical: la
flexibilidad y la velocidad de las máquinas han
alcanzado niveles
anteriormente inalcanzables.
Un sistema embebido típicamente engloba un
microprocesador o microcontrolador, y comprende tanto
componentes de hardware como de software diseñados para
respaldar funciones u operaciones específicas dentro de una
máquina o sistema más grande [1]. Estas herramientas de
comunicación suelen integrarse como parte de un objeto
listo para su uso, como un dispositivo eléctrico o electrónico,
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 35-42 (2024)
ISSN 2525-0159
35
Recibido: 24/09/24; Aceptado: 11/11/24
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.8.2.197.2024
Technical Report
por lo tanto, además están acompañadas de componentes
mecánicos. Cumpliendo su propósito específico, muchas
veces los sistemas embebidos trabajan bajo restricciones en
tiempo real. Están presentes en casi todos los campos,
trabajando en conjunto con diferentes dispositivos, desde
pequeños dispositivos como relojes y reproductores de
música para portabilidad hasta máquinas más grandes como
electrodomésticos, líneas de producción y sistemas de
imágenes médicas [3]
Esencialmente, es un sistema que contiene un procesador
de computadora, una memoria de computadora y dispositivos
periféricos de entrada/salida por sí solo, y funciona para estos
sistemas en sí mismo y no es más que eso [3] Es una parte
central de todo el sistema de recolección, transmisión y
procesamiento de datos en general y también a menudo está
acompañado de componentes eléctricos o electrónicos.
Como un sistema que está incrustado, típicamente, gestiona
funciones físicas de una máquina en la que está incrustado, y
su funcionamiento debe cumplir con ciertos parámetros de
tiempo [4].
Los sistemas embebidos se utilizan en una amplia variedad
de aplicaciones. El uso de estos sistemas embebidos, en
general, trae aparejado las siguientes características:
i)
Fiabilidad: Los sistemas embebidos están diseñados
para representar máxima fiabilidad y procesar sin fallas todo
el tiempo [5].
ii)
Rendimiento: Debido a los principios de diseño de
sistemas en un chip y la posibilidad de particionamiento del
sistema, el rendimiento puede adaptarse a la aplicación
objetivo [6].
iii)
Costo: Los sistemas embebidos son fáciles de
comprar porque no requieren capacidades de fabricación
sofisticadas [7].
iv)
Tamaño: Las PC incorporadas pueden reducirse a un
tamaño muy pequeño, lo que implica su uso adecuado en
dispositivos celulares [8]. El sistema embebido
esencialmente representa un tipo de componente incrustado
que puede usarse para abordar un número cada vez mayor de
desafíos [9].
En este contexto, este estudio se enfoca en la
implementación y evaluación de un sistema integrado
compuesto por módulos de control y supervisión de un reactor
biológico, con el objetivo de demostrar su eficacia. Se busca
implantar un sistema embebido que optimice el proceso,
permitiendo mejorar la precisión y la productividad, al mismo
tiempo que se asegura la confiabilidad del equipo, lo que en
conjunto potenciará la producción y garantizará una calidad
constante. Uno de los principales aportes del estudio es la
integración de las tecnologías utilizadas en el sistema
embebido. Estos sensores facilitan la medición instantánea de
indicadores biológicos vitales, como la temperatura, el pH, la
concentración de oxígeno disuelto y la velocidad de
agitación en un reactor biológico. El registro regular y puntual
de estos parámetros permite ajustar con precisión el proceso
en tiempo real, asegurando que el entorno se mantenga en
condiciones óptimas.
II.
USO DE SISTEMAS DE BIORREACCIÓN
Los biorreactores nacen con el objetivo de impulsar y
regular la reproducción de microorganismos o células en
cultivo, así como la elaboración de biomoléculas o
compuestos relevantes en biotecnología. Estos dispositivos
son insustituibles en la ingeniería biológica y han
transformado diversos sectores, desde la creación de
medicamentos hasta la obtención de biocombustibles. Un
recipiente hermético alberga microorganismos o células en
un medio de cultivo específico, manteniendo un control
preciso de la temperatura, el pH, la oxigenación y la
agitación. Según su uso, los biorreactores pueden presentar
diversos tamaños y diseños, desde pequeñas unidades de
laboratorio hasta grandes instalaciones industriales.
La importancia de los biorreactores radica en su capacidad
para crear un entorno controlado que maximiza la
producción de biomoléculas de interés. Por ejemplo, en la
industria farmacéutica, se emplean para producir proteínas
terapéuticas, vacunas y medicamentos. En la producción de
biocombustibles, se facilita la fermentación de biomasa para
obtener etanol y otros combustibles renovables. A su vez, en
la biotecnología ambiental, se utilizan para el tratamiento de
aguas residuales y la recuperación de suelos contaminados.
Además, son herramientas fundamentales para la
investigación y el desarrollo en numerosas áreas de la
biotecnología debido a su versatilidad. Al optimizar las
condiciones de cultivo, se puede aumentar la productividad
y calidad de los productos biotecnológicos, a la vez que se
minimizan los costos e impactos ambientales asociados [10].
III.
SISTEMAS EMBEBIDOS PARA CONTROL
Las placas Arduino hoy en día son una de las principales
herramientas de los sistemas embebidos, con ellas se pueden
desarrollar sus proyectos en esta plataforma de hardware,
que se utiliza para una amplia gama de tareas específicas.
De hecho, las placas Arduino son controladores en
miniatura utilizados como plataformas que suelen tener
pines de entrada/salida, convertidores analógico-digitales y
una variedad de interfaces de red para fines de
comunicación, y cuentan con una placa fácil de usar que
acomoda todas estas características en una sola placa
compacta [11]. Estas placas son el punto de partida para
construir las bases de funcionamiento de dispositivos
electrónicos que luego pueden implementarse en simples
LED parpadeantes, así como en el ámbito de la robótica y la
automatización.
En este punto, el uso de sistemas embebidos en el control
de biorreactores trae aparejado una serie de ventajas:
i)
Supervisión y control en tiempo real: Los dispositivos
permiten esencialmente la observación directa y en tiempo
real de factores críticos como la temperatura, el nivel de pH,
el oxígeno disuelto y la velocidad de agitación en el interior
de los biorreactores. Gracias a la supervisión y medición
constantes de estos factores, los responsables son capaces de
identificar anomalías y contrarrestarlas de inmediato,
garantizando así las condiciones de producción y
aumentando el rendimiento [12].
ii)
Mayor precisión y estabilidad: Los sistemas embebidos
han mejorado sus capacidades informáticas, lo que les
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 35-42 (2024)
ISSN 2525-0159
36
http://elektron.fi.uba.ar
permite controlar los sistemas con una precisión eficaz
gracias a sus bajas fluctuaciones. La aplicación de un control
preciso de la entrada mediante un algoritmo de control
avanzado, por ejemplo, un controlador PID (Proporcional-
Integral-Derivativo), minimiza en gran medida el riesgo
asociado a la variación del proceso y del producto.
iii)
Flexibilidad y adaptabilidad: Los sistemas implantados
proporcionan una robustez insuperable en la gestión de
biorreactores, interconectándose sin ninguna dificultad con
diferentes sensores, actuadores y aplicaciones de periféricos,
desarrollando un entorno de intercambio de información. Esta
característica allana el camino para el cambio rápido de las
estrategias de control que podrían utilizarse si un proceso de
repente exige algunos otros parámetros de salida o
especificaciones del producto, proporcionando la
optimización de procesos muy eficiente que aumenta la
posibilidad de transferencia de tecnologías.
iv)
Monitorización remota y telemetría: Estas características
de conectividad de los sistemas embebidos hacen posible
supervisar las operaciones del biorreactor de forma remota,
así como medir los datos recogidos sin necesidad de acercarse
físicamente al biorreactor. Estos operadores pueden controlar
equipos muy dispersos desde cualquier lugar con sólo una
conexión a Internet. Esto les permite tomar decisiones
operativas cruciales de forma proactiva, así como solucionar
problemas y programar el mantenimiento.
v)
Escalabilidad y rentabilidad: Los sistemas individuales
pueden conectarse a menudo a una red existente, y su
escalabilidad abarca desde instalaciones de investigación del
tamaño de un laboratorio hasta plantas de fabricación a gran
escala. De ahí que los sistemas integrados mejoren a menudo
la arquitectura del hardware mediante el uso integral y
competitivo de los costosos sistemas de control, al tiempo que
reducen el extenso tamaño del hardware y permiten ahorrar
costes y aumentar el nivel de las operaciones.
Arduino es una de las herramientas estrella para sistemas
embebidos. Con estas placas miniatura, puedes dar vida a tus
ideas en una amplia gama de proyectos específicos.
Funcionan como controladores, con pines de entrada/salida,
convertidores analógico-digitales e interfaces de red para la
comunicación. Todo en una placa fácil de usar y compacta.
Con Arduino, se puede crear desde simples LEDs
parpadeantes hasta proyectos de robótica y automatización.
Son la base para construir dispositivos electrónicos que
funcionen de forma autónoma.
La interfaz de usuario de Arduino IDE es intuitiva y fácil
de usar, lo que la hace accesible incluso para aquellos que se
están iniciando en la programación y la electrónica. Además,
Arduino IDE es compatible con una amplia variedad de
placas Arduino, desde las más básicas hasta las más
avanzadas, lo que permite a los usuarios desarrollar proyectos
para diferentes aplicaciones y con distintas capacidades de
hardware [13]. Por lo tanto, la combinación de la potencia del
lenguaje de programación C++ con la facilidad de uso de
Arduino IDE ha democratizado el desarrollo de proyectos
electrónicos.
Respecto al control de los procesos de biorreactores a
través de placas Arduino utilizando PCs, Node-RED, una
plataforma de programación visual, se ha destacado en la
automatización y la integración de dispositivos IoT. En su
relación con placas Arduino conectadas a PCs, actúa como un
puente entre hardware y software. Node-RED facilita la
integración de dispositivos IoT mediante nodos específicos
de Arduino y protocolos como MQTT, permitiendo una
conexión bidireccional entre Arduino y la PC. Su interfaz
intuitiva simplifica el desarrollo de aplicaciones complejas
de IoT, incluso para no programadores. Además, su
versatilidad se extiende a la integración de servicios en la
nube y API de terceros, lo que facilita el procesamiento y
almacenamiento de datos recopilados por Arduino en
plataformas en la nube como AWS o Google Cloud [13].
IV.
DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
La biotecnología ofrece una variedad de alternativas
para la producción de energías renovables. Entre ellas se
destaca la elaboración de bioetanol, obtenido a través del
proceso de fermentación. Particularmente, en la actualidad,
la conversión de lactosuero en etanol se considera una
opción sostenible con beneficios ambientales y económicos
a largo plazo. Este proceso implica la fermentación de los
azúcares presentes en el suero utilizando microorganismos,
lo que resulta particularmente interesante para aprovechar
los subproductos de grandes procesos industriales. Un
estudio realizado por Owais y Zafar [14] concluyó que la
levadura Kluyveromyces marxianus MTCC 1288 es óptima
para la producción de etanol a partir de suero crudo,
mostrando una curva cinética favorable en la producción de
etanol y biomasa. Además, investigaciones realizadas por
Diosma et al. [15] han identificado y aislado cepas de
Kluyveromyces marxianus a partir de granos de kéfir, un
alimento tradicional en Europa del este. Estos hallazgos
resaltan la importancia de explorar la fermentación del
suero de quesería en un biorreactor utilizando levaduras y
bacterias de granos de kéfir para la producción de etanol y
biomasa. Para llevar a cabo este proceso de manera efectiva,
es esencial disponer de un equipo funcional que permita
aplicar métodos de ingeniería de procesos para controlar y
optimizar la fermentación, incluyendo la regulación de
variables como la temperatura y el pH. Esto facilitará el
desarrollo de modelos adecuados para optimizar el proceso
y su posterior escalado. Para llevar a cabo este proceso de
manera efectiva, es fundamental contar con un equipo
funcional que permita aplicar métodos de ingeniería de
procesos para controlar y optimizar la fermentación,
incluyendo la regulación de variables como la temperatura
y el pH. Esto permitirá el desarrollo de modelos adecuados
que faciliten la optimización del proceso y su posterior
escalado
En el sistema de control del biorreactor, la placa Arduino
desempeña un papel central al permitir la medición y
regulación de parámetros cruciales como la temperatura y
el pH. Se ha seleccionado la placa Arduino UNO R3 para
esta función, la cual utiliza el microcontrolador
ATmega328P de 8 bits con una velocidad de reloj de 16
MHz y 32 KB de memoria flash. Esta placa cuenta con 14
pines digitales, 6 de ellos PWM, así como 6 pines
analógicos. Además, dispone de un conector USB para la
comunicación con la computadora, una entrada de
alimentación de CC y un regulador de voltaje para
garantizar una alimentación segura. Se programa a través
del entorno de desarrollo Arduino IDE y es ampliamente
utilizada en proyectos electrónicos debido a su versatilidad
y facilidad de uso. Equipada con sensores, la placa Arduino
monitorea de forma continua los niveles de temperatura y
pH dentro del biorreactor para garantizar condiciones
óptimas para el cultivo de células y microorganismos. El
sensor de temperatura digital DS18B20, con una resolución
de 0.06ºC y un tiempo de respuesta inferior a 800 ms, junto
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 35-42 (2024)
ISSN 2525-0159
37
http://elektron.fi.uba.ar
con las librerías open-source OneWire y Dallas, se presenta
como una alternativa de bajo costo y precisión adecuadas
para el monitoreo de temperatura. La integración de estas
librerías facilita la comunicación y manejo eficiente del
sensor, maximizando su rendimiento en aplicaciones donde
la exactitud y rapidez en la medición son cruciales. Por otro
lado, la elección del sensor de pH se fundamentó en la
necesidad de adoptar instrumentos de alta impedancia para
minimizar el ruido y las interferencias en las mediciones. El
módulo pH-C Aquatron, permite comunicar el valor de pH
mediante una señal de 0-20 mA, que, al ser acoplada a una
resistencia, puede conectarse a un puerto analógico de la
placa Arduino, facilitando así su integración en sistemas de
monitoreo automatizado. Posteriormente, la placa Arduino
transmite los datos de temperatura y pH a una PC a través
de una conexión USB-serie, permitiendo que la
computadora procese los datos en tiempo real, realice
análisis posteriores y tome medidas de control según sea
necesario. La Figura 1 muestra un diagrama de flujo donde
se explicita el proceso, mientras que la Figura 2 muestra la
placa Arduino encargada de gestionar los sensores y, a la
derecha, muestra una aplicación móvil que facilita el
control y ajuste del proceso desde cualquier lugar. Esta
conectividad móvil proporciona una flexibilidad y control
en diferentes entornos. La misma también se puede ver en
link de Lab 4.0 de la página de proyectos de la institución
donde se realizó el trabajo [16].
Fig. 1. Diagrama de flujo del sistema de biorreactor.
Fig. 2. (a) Arduino UNO R3 que maneja los sensores de temperatura y pH.
(b). Aplicación de celular para control y seteo del proceso.
Una vez que el Arduino recolecta datos de los sensores y
los transfiere a la computadora, Node-RED toma el control
para visualizar y analizar los datos. Esta plataforma simplifica
la visualización en tiempo real y la aplicación de análisis para
comprender mejor el comportamiento del biorreactor en
términos de temperatura y pH. Node-RED permite la creación
de flujos visuales que procesan datos y generan
visualizaciones útiles. Con una interfaz intuitiva, los usuarios
pueden diseñar flujos personalizados que se ajusten a las
necesidades del sistema de control. Una vez que se toman
decisiones sobre el control de la temperatura y el pH, Node-
RED envía instrucciones al Arduino para manejar los relés
conectados al biorreactor, regulando dispositivos de
calefacción, refrigeración o dosificación de productos
químicos según sea necesario. Esta integración entre Arduino,
Node-RED y los dispositivos de control permite un sistema
automatizado de monitoreo y control del biorreactor,
optimizando las condiciones de operación y garantizando un
rendimiento óptimo en la producción de biomoléculas. La
flexibilidad de Node-RED facilita la adaptación a diferentes
configuraciones y requisitos de control. El software del
biorreactor permite un control activo, y los operadores pueden
ajustar las configuraciones en respuesta a cambios
experimentales. La regulación de la temperatura se realiza
mediante relés activados por el Arduino, lo que permite un
control preciso basado en la temperatura deseada. La Figura
3 muestra, respectivamente, una porción del código Node-
RED empleado, una vista generalizada de dicho código y la
resistencia del biorreactor. Esta figura se incluye de carácter
ilustrativo para dar una idea al lector de la interfaz del
lenguaje, por este motivo solo se incluyen porciones del
código. La Figura 4 muestra el biorreactor utilizado para el
experimento, donde se observan algunas conexiones y la
resistencia conectada. En la Figura 5 se observa la PC que
corre la lógica y se aprecia el programa de control y seteo de
las variables del biorreactor.
Fig. 3. Porción del código Node-RED para programar la lógica de control. En
la imagen se observa la lógica para la salida de actuadores.
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 35-42 (2024)
ISSN 2525-0159
38
http://elektron.fi.uba.ar
Fig. 4. Biorreactor controlado por la placa Arduino mediante la resistencia que
se observa en la imagen
El sistema implementado emplea relés activados por el
Arduino para regular tanto la temperatura como el pH del
biorreactor. Para mantener un pH óptimo, el Arduino
controla una bomba que introduce soluciones ácidas o
básicas, logrando un equilibrio adecuado. La Figura 6
muestra la bomba de pH.
Fig. 5. PC que procesa la lógica para el control y seteo de las variables del
biorreactor.
La combinación de las capacidades del Arduino y la PC
permite un control preciso y sensible de los parámetros del
biorreactor, mejorando su eficiencia, fiabilidad y
reproducibilidad. Además, la capacidad de conexión remota
permite a los usuarios operar el sistema desde sus dispositivos
móviles, facilitando la supervisión y el control en tiempo real
desde cualquier ubicación con conexión a Internet. Esta
movilidad mejora la usabilidad y accesibilidad del sistema,
permitiendo la gestión de bioprocesos incluso fuera de las
instalaciones. Los gestores pueden realizar ajustes y
optimizaciones en planta de forma remota, lo que aumenta la
eficiencia y reduce el tiempo de inactividad.
Fig. 6. Bomba de pH.
V.
ESTUDIO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Con el objetivo de evaluar el funcionamiento del sistema
desarrollado, se realizaron tres tipos de fermentaciones: La
primera consistió en la fermentación de lactosa en leche a
partir de granos de kéfir.
A.
Fermentación 1: Lactosa a etanol (granos de kéfir)
En una fase experimental inicial, se realizaron pruebas
utilizando 10 g de kéfir y 400 mL de leche pasteurizada como
medio de fermentación durante 18 horas. La fermentación se
llevó a cabo a lazo abierto, registrando la variación de pH y
temperatura y a los fines de evaluar el funcionamiento y la
continuidad de los sensores. Los resultados se pueden
observar en las Figuras 7 y 8. Luego, en una segunda fase, se
controló la temperatura a 35°C durante 18 horas para evaluar
su efecto en el proceso (Figura 9).
Fig. 7. Evolución del pH sin controlar a lo largo del proceso fermentativo.
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 35-42 (2024)
ISSN 2525-0159
39
http://elektron.fi.uba.ar
Fig. 8. Evolución de la temperatura sin controlar a lo largo del proceso
fermentativo.
Fig. 9. Control de temperatura utilizando un control PID.
Se puede observar que el sistema resultó exitoso para el
monitoreo y registro de las variables, mostrando una
evolución suave y continua de ambas variables. Estos
resultados presentan una oportunidad para el monitoreo
detallado del proceso permitiendo obtener modelos con
mayor precisión en la descripción del fenómeno. Con
respecto al proceso de fermentación, la disminución del pH
muestra una exitosa fermentación de la matriz láctea por
parte de los microorganismos utilizados.
Con respecto al control de temperatura, los resultados
mostraron un rango de control adecuado con una variación
máxima del 3,4% con excepción de una histéresis inicial
hasta la llegada del valor del set. Similar a lo que hallaron
en [19] quienes lograron mantener la estabilidad del
biorreactor utilizando un control de PID a partir de Arduino
logrando precisión de ±0.1 ºC; de esta forma se logra que el
sistema alcance las características de rendimiento deseadas,
como un tiempo de subida y de estabilización rápido, un
bajo rebasamiento y un bajo error de estado estacionario.
En [14] intentaron modelar la fermentación del suero de
quesería, sin embargo, no dispusieron de un sistema que les
permita seguir el comportamiento del pH, intentando
mantener el control mediante adiciones periódicas de
buffer. Los resultados obtenidos para el seguimiento y
control de variables son de vital importancia para lograr un
modelo preciso y adecuado en futuros trabajos.
B.
Fermentación 2: Lactosa a ácido láctico
(microorganismos de yogurt)
La segunda fermentación se realizó a partir de leche y
bacterias propias del yogurt (Lactobacillus bulgaricus y
Streptococcus thermophilus). En este proceso la lactosa es
convertida en ácido láctico produciéndose una coagulación
del sistema, siendo esencial el control de temperatura para la
normal evolución del sistema biológico, por lo cual resulta
un excelente sistema de testeo del biorreactor. El proceso de
producción de yogurt necesita una etapa de temperatura
constante a 45º durante 10 horas (temperatura óptima para la
producción de ácido láctico) y luego un enfriamiento
paulatino para detener la reacción. Para esto se utilizó como
inóculo un yogurt comercial (120 g) en 1000 g de leche
fresca; manteniendo el control de temperatura durante las
primeras 10 horas y luego desactivando el control dejando
que la temperatura baje hasta la temperatura ambiente. El pH
inicial fue de 5.55 y al finalizar el proceso alcanzó el valor de
4.14, mostrando la efectividad del proceso. La evolución de
la temperatura se muestra en la Figura 10.
Fig. 10. Evolución de la temperatura
C.
Fermentación 3: Sacarosa a Etanol (Saccharomyces
cerevisiae)
Por otro lado, la tercera fermentación se llevó a cabo
utilizando la levadura Saccharomyces cerevisiae sobre agua
(1L) con sacarosa (100 g), esto se puede observar en la gráfica
de la Fig. 11.
Para todos los casos los parámetros utilizados para el PID
se ajustaron en función del nivel de líquido, banda
proporcional 6 integral 1200 s derivativo 300 s para este
sistema. Este enfoque permitió verificar la efectividad del
sistema de control en mantener la temperatura del proceso
dentro de los límites deseados, lo que es esencial para
garantizar condiciones óptimas de fermentación y calidad del
producto final.
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 35-42 (2024)
ISSN 2525-0159
40
http://elektron.fi.uba.ar
Fig. 11. Evolución de pH y temperatura para la fermentación de sacarosa
con Saccharomyces cerevisiae. Control de temperatura activado.
Los resultados muestran un éxito claro en el
seguimiento y registro de variables, con una evolución
constante y suave de la temperatura y el pH durante el
período observado, aun para matrices y microorganismos
distintos, operando en diversos rangos de las variables
estudiadas. En sistemas de biorreacción similares se reportó
que el control de variables como pH mejoraron el
rendimiento de fermentación; Wang et al. en [17]
aumentaron la concentración de ácido láctico y el
rendimiento de fermentación mediante el ajuste del pH de
la fermentación a 8,5 con NaOH cada 12 horas en la
fermentación de residuos de shophora flaverscens para
obtener etanol. Por otro lado, en [20] reportaron un aumento
en el crecimiento bacteriano en un biorreactor anaeróbico
por efecto del control de pH, pasando de una reducción del
61% en el tiempo necesario hasta alcanzar el máximo
crecimiento. Por otro lado, [18] observaron un aumento en
el rendimiento de formación de ácido láctico en un
fermentador a partir de desechos de la industria de alimento
por efecto del control de pH y temperatura; obteniendo
aumentos en el rendimiento de 192% cuando se controló el
pH y de hasta 556% cuando se controló el pH y la
temperatura. En este sentido. Estos hallazgos brindan una
valiosa oportunidad para un monitoreo detallado del
proceso, permitiendo la obtención de modelos más precisos
para describir el fenómeno con exactitud. A su vez, dada la
naturaleza de este sistema de reacción donde tanto los
sustratos como los productos no son fácilmente medibles,
se abre la puerta para trabajar en la estimación de los
mismos a partir del seguimiento preciso de la variable
medible pH, como lograron en [21], quienes lograron
estimar el crecimiento de los microrganismos en un sistema
de fermentación a partir del pH.
CONCLUSIÓN
El trabajo presenta el diseño y la aplicación de un
sistema embebido para mejorar el control de un biorreactor
usado en la fermentación de azúcares como lactosa y
sacarosa. La integración de placas Arduino y un ordenador
ejecutando Node-RED ofrece ventajas destacables en
términos de precisión y eficiencia del proceso. Las placas
Arduino permiten una supervisión en tiempo real y ajuste
preciso de parámetros clave como la temperatura y el pH,
mejorando así la reproducibilidad de los bioprocesos.
Además, la capacidad de conexión remota brinda
flexibilidad a los usuarios para supervisar y gestionar los
procesos desde cualquier lugar con conexión a Internet, lo
que reduce el tiempo de inactividad y aumenta la
productividad. Los resultados muestran un seguimiento
exitoso de las variables del proceso, con una evolución
estable de la temperatura y el pH. La validación del sistema
incluyó la implementación de un controlador PID que
mantuvo la temperatura dentro de los límites deseados con
mínima variación. El sistema de control en lazo cerrado
diseñado para el biorreactor mostró características de
rendimiento clave, como un tiempo de subida rápido,
tiempo de estabilización breve, bajo sobre impulso y un
error de estado estable mínimo. Estas cualidades son
fundamentales para mantener un ambiente estable dentro
del biorreactor, garantizando que la temperatura se
mantenga constante y dentro de los límites especificados.
Como trabajo futuro, se propone la creación de un
gemelo digital que recree este biorreactor utilizando las
bases de simulación establecidas en el presente estudio.
Este gemelo digital permitirá una simulación detallada y en
tiempo real del comportamiento del biorreactor, facilitando
la optimización de los parámetros de control, la detección
temprana de fallos y la mejora continua del sistema,
integrando los avances en control embebido y monitoreo
remoto con un enfoque virtual para aumentar la eficiencia
y seguridad del bioproceso.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece el financiamiento de la ANPCyT (PICT-
2021-I-INVI-00498) y la Provincia de Santa Fe (proyecto
PEIC-2022-019).
REFERENCIAS
[1] D. C. Cascini Peixoto and D. C. da Silva Júnior, “A Framework for
Architectural Description of Embedded System,” 2004, pp. 2–16.
doi: 10.1007/978-3-540-30113-4_2.
[2] G. Alvarez and J. Sarli, “Optimization of Electricity Distribution in
Latin America by Using Embedded Systems,” IEEE Latin America
Transactions, vol. 18, no. 02, pp. 351–359, Feb. 2020, doi:
10.1109/TLA.2020.9085290.
[3] A. M. Ibrahim, “Embedded systems,” in Fuzzy Logic for Embedded
Systems Applications, Elsevier, 2004, pp. 1–21. doi: 10.1016/B978-
075067605-2/50003-X.
[4] P. Axer et al., “Building timing predictable embedded systems,”
ACM Transactions on Embedded Computing Systems, vol. 13, no.
4,
pp. 1–37, Dec. 2014, doi: 10.1145/2560033.
[5] Kuang-Hua Huang and J. A. Abraham, “Algorithm-Based Fault
Tolerance for Matrix Operations,” IEEE Transactions on
Computers, vol. C–33, no. 6, pp. 518–528, Jun. 1984, doi:
10.1109/TC.1984.1676475.
[6] A. Munir, S. Ranka, and A. Gordon-Ross, “High-Performance
Energy-Efficient Multicore Embedded Computing,” IEEE
Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 23, no. 4, pp.
684–700, Apr. 2012, doi: 10.1109/TPDS.2011.214. M. Müllerburg,
“Software intensive embedded systems,” Inf Softw Technol, vol. 41,
no. 14, pp. 979–984, Nov. 1999, doi: 10.1016/S0950-
5849(99)00072-5.
[7] S. Segars, K. Clarke, and L. Goudge, “Embedded control problems,
Thumb, and the ARM7TDMI,” IEEE Micro, vol. 15, no. 5, pp. 22–
30, 1995, doi: 10.1109/40.464580.
[8] D. N. Serpanos and A. G. Voyiatzis, “Security challenges in
embedded systems,” ACM Transactions on Embedded Computing
Systems, vol. 12, no. 1s, pp. 1–10, Mar. 2013, doi:
10.1145/2435227.2435262.
[9] R. Eibl and D. Eibl, “Design of bioreactors suitable for plant cell
and tissue cultures,” Phytochemistry Reviews, vol. 7, no. 3, pp. 593–
598, Oct. 2008, doi: 10.1007/s11101-007-9083-z.
[10] Y. A. Badamasi, “The working principle of an Arduino,” in 2014
11th International Conference on Electronics, Computer and
Computation (ICECCO), IEEE, Sep. 2014, pp. 1–4. doi:
10.1109/ICECCO.2014.6997578.
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 35-42 (2024)
ISSN 2525-0159
41
http://elektron.fi.uba.ar
[11] C. E. Pereira and L. Carro, “Distributed real-time embedded systems:
Recent advances, future trends and their impact on manufacturing
plant control,” Annu Rev Control, vol. 31, no. 1, pp. 81–92, Jan.
2007, doi: 10.1016/j.arcontrol.2007.02.005.A. Karnik,
“Performance of TCP congestion control with rate feedback:
TCP/ABR and rate adaptive TCP/IP,” M. Eng. thesis, Indian
Institute of Science, Bangalore, India, Jan. 1999.
[12] S. S. Chinnasami Sivaji, M. Ramachandran, Vidhya Prasanth,
Soniya Sriram, “Application of Arduino Devices in various IOT
Application,” Renewable and Nonrenewable Energy, pp. 39–45, Jun.
2022, doi: 10.46632/rne/1/1/7.
[13] A. S. Thuluva, D. Anicic, S. Rudolph, and M. Adikari, “Semantic
Node-RED for rapid development of interoperable industrial IoT
applications,” Semant Web, vol. 11, no. 6, pp. 949–975, Oct. 2020,
doi: 10.3233/SW-200405.
[14] S. Zafar and M. Owais, “Ethanol production from crude whey by
Kluyveromyces marxianus,” Biochem Eng J, vol. 27, no. 3, pp. 295–
298, Jan. 2006, doi: 10.1016/j.bej.2005.05.009.
[15] Diosma, G., Romanin, D.E., Rey-Burusco, M.F., Londero, A.,
Garrote, G.L., 2014. Yeasts from kefir grains: isolation,
identification, and probiotic characterization. World J. Microbiol.
Biotechnol. 30, 43–53. https://doi.org/10.1007/s11274-013-1419-9
[16] INGAR, “Proyectos desarrollados en el Instituto INGAR,”
Proyectos INGAR. [Online]. Available: https://ingarue.santafe-
conicet.gov.ar/
[17] Ma, X., Wang, J., Gao, M., Wang, N., Li, C., & Wang, Q. (2021).
Effect of pH regulation mode on byproduct ethanol generated from
the lactic acid fermentation of Sophora flavescens residues. Journal
of Cleaner Production, 279,
123536. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123536
[18] Tang, J., Wang, X., Hu, Y., Zhang, Y., & Li, Y. (2016). Lactic acid
fermentation from food waste with indigenous microbiota: Effects
of pH, temperature and high OLR.. Waste management, 52, 278-85
. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016.03.034.
[19] Alimberti, R., Chauhan, V., & Jaiswal, D. (2021). Bioreactor
Temperature Control System Using PID Controller. Volume 7A:
Dynamics, Vibration, and Control.
https://doi.org/10.1115/imece2021-71715.
[20] Fernández‐Naveira, Á., Veiga, M. C., & Kennes, C. (2017). Effect
of pH control on the anaerobic H‐B‐E fermentation of syngas in
bioreactors. Journal of Chemical Technology &
Biotechnology, 92(6), 1178-1185.
[21] Liu, Y. C., Wang, F. S., & Lee, W. C. (2001). On-line monitoring
and controlling system for fermentation processes. Biochemical
engineering journal, 7(1), 17-25.
Revista elektron, Vol. 8, No. 2, pp. 35-42 (2024)
ISSN 2525-0159
42
http://elektron.fi.uba.ar
