INTRODUCCIÓN

Realizar el diseño de diferentes programas en LabView lleva algo de tiempo pero

funciona muy bien al momento de aplicarlo al campo laborar. Esta el caso que se

plantea en esta ocasión es el seguimiento de la modelización del consumo de

oxígeno disuelto en un tanque de aireación en donde se tomaba en cuenta a los

nutrientes y ecuaciones generales diferenciales que resuelven el problema

matemáticamente. Se aplica aquí ahora un sistema de concentración de oxígeno

disuelto el cual es será un sistema proporcional así como también el resto del

agua del tanque.

MARCO TEÓRICO

CONTROL PID DE LA CONCENTRACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO EN UN

TANQUE DE AIREACIÓN

El rol de los dispositivos de aireación colocados en los fermentadores, es de

proveer a los microorganismos del oxígeno necesario para su crecimiento.

Por otra parte el fin de la agitación es asegurar la uniformidad de la suspensión

microbiana de manera de acelerar la rapidez de intercambio entre esta y el medio

de cultivo.

La turbulencia generada por la agitación además, permite la división de las

burbujas de aire lo que aumenta la superficie de contacto y la duración de este,

entre el oxígeno y los microorganismos.

La demanda de oxigeno de cultivos líquidos es satisfecha inicialmente por el

oxígeno disuelto en el medio proveniente del aire atmosférico, debido a la

solubilidad extremadamente baja del mismo en medios líquidos, (7 ppm a 37º C),

esta no puede ser satisfecha, si no se toman medidas para restituir el oxígeno

disuelto, por ejemplo en un cultivo denso y de rápido crecimiento.

El método corriente es el burbujeo, pero a veces no logra aumentar el factor crítico

(concentración de oxígeno disuelto), porque por ejemplo, si las burbujas son de

gran tamaño escapan rápidamente del seno del líquido hacia la superficie del

mismo.

La solubilidad el oxígeno es baja en agua pura (7 ppm), pero esta tasa no es

alcanzada en la industria ya que el aire no contiene más del 20,9 % de oxígeno.

La solubilidad del oxígeno es inversamente proporcional a la temperatura y entre 5

y 30º C puede ser calculada por la siguiente formula:

C = 475

33,5 x t

C = expresado en partes por millón

La presencia de compuestos disueltos disminuye la solubilidad del oxígeno, por

este motivo es que en el agua de mar, la cantidad de oxigeno es el 80 % del

disuelto en agua pura.

Como las enzimas microbianas están localizadas en el interior de los

microorganismos estos no pueden utilizar fácilmente el oxígeno disuelto en el

medio de cultivo, por esta causa y por la baja solubilidad, la reserva de gas es muy

baja, la cantidad disuelta en todo momento y lugar del medio de cultivo debe ser

superior a un valor critico pre-establecido, por debajo del cual los disturbios

metabólicos acarrean la muerte celular.

A todo esto debe sumarse la viscosidad del medio, densidad celular, presencia de

metabolitos, variaciones en la composición del sustrato, presencia de micelio, etc.

Todos los factores que disminuyen la disponibilidad del oxígeno disuelto.

El método corriente de suministro es la aireación, pero a veces no se logra

aumentar la eficacia de la oxigenación porque por ejemplo el aire introducido

escapa rápidamente del medio.

La demanda de oxigeno por ml de cultivo es igual a la demanda por célula por el

número de células por ml.

La mayor demanda para un cultivo se registra al final del crecimiento exponencial,

sin embargo, la demanda por célula es mayor en la fase de latencia debido al

aumento de tamaño y permanece constante por unidad de peso durante todo el

ciclo de crecimiento.

La respiración celular y el crecimiento es prácticamente independiente de la

concentración de oxigeno ha condición que esta concentración sea mantenida por

encima de un valor critico por lo tanto no hay necesidad de trabajar con oxígeno

en exceso.

Es necesario conocer la demanda máxima de oxigeno de un microorganismo ya

que condiciona su productividad.

Se utiliza el coeficiente de absorción de oxigeno QO2 definido por la cantidad de

microlitros de oxigeno absorbidos por miligramo de células secas y por hora,

podemos decir entonces que si C es la concentración, la formula seria:

DEMANDA MÁXIMA = QO2 . C moles / litro / hora

Para calcular formulas obtenidas para la resolución de este problema tenemos las

mismas de la practica anterior debido a que se basan en el mismo proceso.

La ecuación diferencial que describe el proceso viene dada por la expresión

La obtención de la ecuación (1) está discutida en el Anexo I del presente guion.

El equivalente discreto de la ecuación diferencial (1) se obtiene teniendo en cuenta

la regla de la diferencia finita para la primera derivada (figura 1).

Con ello se tiene la expresión:

DESARROLLO

CONTROL PID DE LA CONCENTRACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO

EN UN TANQUE DE AIREACIÓN

1. Entrar al programa LabView, una vez que ingresamos seleccionamos la opción

Crear Nuevo VI > Blank VI.

2. En el panel frontal lo formamos por iconos de dos tipos: 3 indicadores, 7

controles, un “waveform chart” y un control booleano. Después de haber ingresado

todos los indicadores y controles antes mencionados indicamos a todos los vertical

pointer > visible ítems > digital display. Les damos nombre a cada cosa y

asignamos valores como se muestra a continuación así como también e indicamos

data operations > make current value default.

3. agregamos desde controls > graph > waveform chart. Lo editamos cambiamos

nombres y en pilot 0 agregamos dos mas y los nombramos como se muesta en la

figura. Enseguida colocamos desde contrls > boolean > stop botton.

4. nos cambiamos al diagrama de bloques donde con el botón derecho y

situándose en cada uno de los iconos para dar la opción “View as icon”, ello

permitirá reducir el tamaño de cada elemento.

5. Localizado en Functions > Structures > Feedback Node. Su acción es

semejante al registro de desplazamiento. Permite manejar, en la iteración actual,

datos obtenidos en iteraciones anteriores. Y luego en Functions > Cluster &

Variant > Bundle. Es una estructura que agrupa ciertos datos para ser

representado todos ellos simultáneamente de forma gráfica. En este momento es

cuando agregamos también el while loop para la repetición de procesos.

5. colocamos en este caso desde funtions, 2 > numeric > compound arithmetic el

cual convertimos como se muesta a multiply. Ademas de agregar 4 de numeric >

multiply, 2 de divide, 2 de add, 1 subtract y 1 de select. De acuerdo al diagrama

generamos constantes a sus correspondientes y asignamos sus valores indicados.

6. Cambiamos los vertical pointer como se observa enseguidaa los indicados

dando clic derecha en ellos para seleccionar change to indicator.

7. Encuentra en Functions > Timing > Wait Until Next ms Multiple. Este objeto

obliga a que cada iteración del bucle externo se ejecute.

8. en prácticas anteriores realizamos el programa PID el cual es necesario para

esta práctica porque es el que permitirá controlar el proceso atendiendo al

algoritmo PID. Es posible acceder a el mediante la secuencia Functions > Select a

VI > Buscar la carpeta donde se encuentra el programa.

9. verificamos si no falta nada y luego se organizan los comandos y realizamos

las conexiones correspondientes al siguiente diagrama.

10. por ultimo corremos el programa y verificamos que todo salga bien sin ningun

error. Movemos los indicadores y observamos la variacion en la grafica. Para

finalizar guardamos el programa y lo cerramos.

RESULTADOS

Analizamos el sistema y su diagrama ya construido y comprobamos que el

sistema está controlado y se ejecuta el IV en modo continua. Vamos variando el

cursor del Set Point (SP) se observará en la gráfica cómo la variable controlada

(OD (%)) sigue el camino indicado por el Set Point. Determine correctamente cual

es la variación que realiza la salida del controlador PID, es decir el cursor

“Aireación (%)” en relación a la posición relativa del SePoint y del OD.

CONCLUSIONES

La resolución de programa de este tipo ayuda mucho nuestro aprendizaje ya que

conlleva gran variedad de comandos a utilizar los cuales los aplicamos y

aprendemos muy bien. El sistema desarrollado sirve de base para la aplicación de

otro sistema como los que estudiamos en diferentes clases.

Después de varias prácticas realizadas considero en aplicar este programa en

prácticas de otros tipos para desarrollar más experiencia. El aprendizaje obtenido

en muy bueno e hiso que despertara aún más mi interés.