Control de nivel en fermentadores

Por qué el control de nivel por flotador resulta idónea para los fermentadores ¿Sin contacto o de flotador? En el caso de los fermentadores en la industria farmacéutica, existe una respuesta clara cuando se busca un método ideal para medir el nivel: los instrumentos que utilizan un flotador como transmisor de señal se adaptan de manera óptima a las condiciones que el medio presenta en el interior del biorreactor y proporcionan unos resultados extremadamente precisos. Los fermentadores son elementos indispensables en las plantas de fabricación o investigación en la industria farmacéutica. Las primeras materias para los nuevos principios activos o medicamentos se fabrican en biorreactores; para que las células puedan crecer y proliferar como es debido, se les debe suministrar nutrientes y oxígeno de manera eficaz, los cuales se distribuyen uniformemente mediante agitadores.

Control de nivel, modelos WIKA FLM, FLR

Modelo FLM-H con magnetorestricción (izquierda) y modelo FLR-H/FLS/H con cadena reed (derecha)

Este proceso afecta la medición y el control de nivel en los depósitos; la mezcla de medios diferentes provoca distribuciones de densidad heterogéneas y, además, el medio líquido del fermentador contiene proteínas, que provocan la formación de una capa superficial de espuma relativamente estable. Teniendo en cuenta estos procesos y sus condiciones hacen que los instrumentos de medida de nivel sin contacto no tarden en alcanzar sus limitaciones. Los métodos de medida hidrostáticos que emplean sensores de presión sumergibles resultan inadecuados debido a las diferencias de densidad; el método por radar, incluso en su versión guiada, no puede obviar completamente las reacciones en la espuma, lo cual significa que no se puede determinar el nivel del depósito con total certeza.

Los instrumentos de medida que emplean un flotador no se ven afectados ni por la formación de espuma ni por la conductividad eléctrica o las constantes dieléctricas; resultan adecuados tanto para una medición continua como para la detección de límites de nivel por puntos. El diseño básico del sistema de control de nivel no varía: consiste en un flotador con un tubo interior y un flotador con imán que se desplaza a lo largo de un tubo guía, siguiendo el nivel del líquido; el flotador actúa como transmisor de señal y sus impulsos se convierten en una señal de salida de 4-20 mA, de bus de campo o HART®. El flotador se puede diseñar de manera que siempre esté sobre la superficie real del líquido, lastrándolo y calculando la densidad nominal; su forma depende de la presión: se recomienda un flotador de bola para las presiones más elevadas, mientras que una forma cilíndrica es mejor para las presiones más bajas. Así, los flotadores se pueden adaptar en cada caso a los procesos y a las condiciones del medio del fermentador.

Sistemas se medición continua de nivel

Control de nivel según norma 3-A

Base de soporte del sensor, separada, diseñada según la norma sanitaria 3-A (74-06).

Para el método de flotador destinado a la medición continua de nivel existen dos sistemas diferentes: por magnetoestricción y por cadena de contactos reed. En el primero, se fija un hilo de material magnetoestrictivo en el tubo guía del sensor de nivel; un impulso de corriente produce un campo magnético circular que ejerce una torsión sobre el hilo, y un flotador dotado de un imán permanente indica el nivel del líquido. La interacción de los dos campos magnéticos genera una onda mecánica en el hilo que se convierte en una señal eléctrica de salida en su terminal y es recogida en el cabezal del sensor por un captador piezocerámico.

Las mediciones de nivel magnetoestrictivas pueden alcanzar una exactitud de hasta un 0,1 %; este principio de funcionamiento proporciona al mismo tiempo una resolución muy elevada (≤ 1 mm). Por ello, los sensores de nivel magnetoestrictivos están especialmente indicados en aplicaciones donde una precisión elevada resulta crítica, mayormente en procesos que manejan principios activos costosos o sensibles, en los que es preciso detectar inmediatamente cualquier reacción o cambio. El centro de investigación de una compañía farmacéutica alemana especializada en terapias contra el cáncer constituye un claro ejemplo.

En este centro se operan seis fermentadores en procesos por lotes; anteriormente, sus niveles se vigilaban con sensores capacitivos; sin embargo, llegó el momento en el que esos sensores ya no cumplían con los requisitos de precisión del fabricante; en consecuencia, se sustituyeron por sensores magnetoestrictivos FLM-H de WIKA que, en función de su longitud (entre 400 y 1300 mm), registran ahora los niveles de los depósitos con una exactitud diez veces superior. Gracias a su alta resolución, los instrumentos de medida magnetoestrictivos permiten reducir las pérdidas por fugas a unos mínimos muy inferiores al habitual: cualquier disminución de nivel no esperada se notifica al instante, de modo que el operador podrá actuar de forma adecuada y rápida.

Los sensores de nivel con contactos reed en serie se dirigen a las aplicaciones de control de nivel para las que un nivel de precisión menor resulta suficiente. El tubo guía contiene una placa de circuito impreso con resistencias, sobre la que el imán del flotador energiza contactos reed individuales, ubicados en intervalos definidos. La serie de sensores energizados resultante genera una tensión proporcional a la altura de llenado, que se convierte a la señal de salida deseada, bien mediante un transmisor integrado en el sensor o bien con un transmisor ubicado en la sala de control. La exactitud del sistema de contactos reed viene determinada por la separación entre los contactos montados en serie. Los instrumentos de WIKA, por ejemplo, se suministran con separaciones de 5, 10, 15 o 18 mm; así se consiguen exactitudes de entre 0,2 y 1,8 %, con resoluciones de entre 2,5 y 9 mm.

Control de nivel mediante interruptores de flotador magnético

Control de nivel ejemplo aplicación

Ejemplo de aplicación.

La detección de límites por puntos en los niveles de llenado mediante interruptores de flotador magnético se basa igualmente en contactos reed. Los instrumentos convencionales de este tipo permiten especificar hasta ocho puntos de conmutación para vigilar niveles de líquido definidos; los contactos reed, instalados en los puntos adecuados del tubo guía, se energizan al aproximarse el imán del flotador; tanto el tubo guía como el flotador son de material no magnético y no hay contacto directo con el líquido durante la conmutación, por lo que no se produce desgaste ni requiere alimentación eléctrica.

En este caso, la fiabilidad de la medida también depende de la capacidad del flotador de adaptarse a los distintos medios —una característica que no queda garantizada por los métodos alternativos a la medida de niveles por puntos como los basados en electrodos, diapasones o sensores ópticos—. Otro aspecto clave del control de nivel en fermentadores, aparte de la calidad de la medida, es que tanto los materiales como los acabados superficiales y los elementos de sellado del sistema de medición deben satisfacer los requisitos de las aplicaciones sanitarias.

El diseño de los instrumentos de medida de WIKA, por ejemplo, cumple con las normas sanitarias 3-A, que la FDA denomina Directiva de Diseño de Equipos Higiénicos; los instrumentos de medición por flotador se fabrican habitualmente en acero inoxidable 316L, no presentan espacios muertos y están soldados en su totalidad; el espacio entre el tubo guía y el flotador se determina de manera que no se produzca capilaridad ni fuerzas de adhesión; se puede limpiar el instrumento entero sin que queden residuos y es compatible con los procesos de limpieza y esterilización in situ CIP y SIP. Existen dos versiones de sensor para instalar en los depósitos: con extremo del tubo para soldar o con base de soporte; esta última se suelda por separado a la base del depósito y el tubo guía va fijado con tres pasadores que aumentan su resistencia a las turbulencias intensas que la agitación provoca en el fermentador.

En conclusión: si bien los instrumentos de medida sin contacto se utilizan cada vez más para vigilar los niveles de los líquidos en los procesos industriales, la experiencia con la medición de este parámetro en los fermentadores confirma que los métodos basados en flotador siguen siendo una opción adecuada. Su principio mecánico se puede adaptar óptimamente a las condiciones críticas de los medios, al mismo tiempo que garantiza unos resultados extremadamente precisos —un aspecto irrenunciable en muchos procesos farmacéuticos—.



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