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6TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (VI CIBELEC 2015)
Diseño y Construcción de un Extrusor de Perlas
de Alginato a Nivel Piloto
Luyzer Díaz Pacheco, Yezid Almanza Pérez, Liliana Gómez Gómez
Resumen— La inmovilización celular permite situar las
células físicamente en una región específica manteniendo sus
propiedades. Se presentan actualmente dos formas de realizarla,
la primera se conoce como pasiva (natural) y la segunda como
activa (artificial). Los métodos más comunes de inmovilización
artificial son aquellos que emplean agentes floculantes. La
técnica de microencapsulación consiste en rodear pequeñas
gotas de forma homogénea o heterogénea por un recubrimiento
conocido como micro cápsula. El alginato como revestimiento,
permite la protección de los principios activos de las células. Se
emplearon Microorganismos fotosintéticos y promotores de
crecimiento vegetal para tal fin. Los estudios actuales se dirigen
a la reducción de costos en los desarrollos de inmovilización. Se
propuso una alternativa económica para el diseño y
construcción de un extrusor de perlas de alginato a nivel piloto
para facilitar a los investigadores su rápida generación y su
cuantificación. Se utilizó la técnica de inmovilización artificial y
el método de goteo y se diseñó y construyó un prototipo
empleando partes de impresoras en desuso como sistema
mecatrónico, un algoritmo de control, un circuito electrónico
con sensores, potencia e interfaz. El prototipo favoreció al
cambio en la técnica manual y redujo el tiempo en la producción
de perlas.
Palabras claves— extrusor, inmovilización celular, microcontrolador, micro-encapsulación.
I. INTRODUCCIÓN
La inmovilización celular es una técnica que permite
ubicar las células físicamente en un espacio o región
específica, de tal manera que sean capaces de mantener sus
propiedades. Las técnicas de inmovilización se utilizan como
una estrategia alternativa para la suspensión de células,
permitiendo así un mejor manejo de la densidad celular y la
posible recuperación de la biomasa celular para su posterior
reutilización. [1]–[3]. La importancia de la inmovilización
radica en que puede mejorar el tiempo en procesos de
fermentación, incrementar productividad y facilitar la
Artículo recibido el 17 de Julio de 2015. Este artículo fue financiado por la
Universidad Popular del Cesar, Valledupar, Cesar, Colombia, en el marco del
proyecto N° 147 del 27 de diciembre de 2013.
L.D.P., Y.A.P., L.G.G. están con la Universidad Popular del Cesar, Facultad
de Ingeniería y Facultad de Ciencias Básicas de la Educación., Valledupar,
Cesar, Colombia, Tlf. +57-3145628004, +57-3165096407, +57-3015138164,
E-mail:
[email protected],
[email protected],
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separación de productos resultantes del metabolismo, de
interés en la industria farmacéutica, alimentaria, y en
tratamiento de problemas ambientales, y así minimizar los
costos de producción [4].
La inmovilización celular puede ser natural (pasiva) por
procesos de adherencia a superficies o a otros
microorganismos o de forma artificial (activa), dentro de los
métodos de inmovilización artificial de células más usados se
encuentran, el uso de agentes floculantes [5]–[7], y el
atrapamiento en geles de polímeros naturales o sintéticos,
denominado también mecanismo de gelificación [4], [5], [8]–
[11], dentro de los mecanismos de gelificación más conocidos
está la micro-encapsulación.
La técnica de micro-encapsulación ha sido descrita como
un proceso en donde pequeñas partículas o gotas son rodeadas
por un recubrimiento homogéneo o heterogéneo integrado a
las cápsulas con variadas aplicaciones [12]. Una microcápsula consiste en una membrana esférica, semipermeable,
delgada y fuerte que rodea un núcleo sólido o líquido, el
núcleo que compone la micro-cápsula es también denominado
fase interna o principio activo, así como a la membrana se
puede nombrar capa externa o matriz. En este sentido, las
micro-partículas, micro-cápsulas o micro-esferas son
definidas como el producto del proceso de microencapsulación dependiendo de cuál sea su morfología y
estructura interna [13], [14].
Valero [15] en su tesis, hace referencia a varios autores que
expresan que el alginato es un componente de la pared celular
de las algas pardas de la familia de las “feofíceas”, la cual
forma un complejo insoluble de ácido algínico y sus sales
cálcica, magnésica, sódica y potásica, en varias proporciones.
El alginato es uno de los biopolímeros más versátiles para
uso industrial; es usado como espesante de soluciones,
estabilizador de emulsiones y suspensiones o gelificante de un
amplio rango de mezclas y para formar películas sobre
diferentes superficies. Dadas estas propiedades, es aplicado en
la industria alimenticia, como aditivos por sus propiedades
espesantes, emulsificantes (aceite-agua), estabilizantes,
coloides protectores y texturizantes en distintos productos
como helados, conservas, aderezos de ensaladas, embutidos
etc.; en la industria farmacéutica, como agente fijador y
emulsificante en la formulación de comprimidos y otras
formas farmacéuticas y también como principio activo
fundamentalmente en especialidades del tipo antiácido; en la
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industria textil como aprestos, impermeabilizantes de tejidos
y espesantes en el estampado; como fundente de electrodos y
otras de menor volumen.
Las técnicas de micro-encapsulación con alginato permiten
la protección de diferentes principios activos como proteínas,
aminoácidos, vitaminas, extractos, sabores, aromas,
microorganismos y enzimas que en contacto con el medio
circundante sufren degradación y pérdida de sus propiedades
nutricionales y benéficas para la salud, diversas
investigaciones han demostraron que los compuestos
encapsulados se encuentran biodisponibles y por tanto pueden
mantener sus actividades funcionales [8]. El alginato es un
material polimérico adecuado para la micro-encapsulación
por ser bio-compatible, no tóxico y degradable. Al emplear el
alginato como matriz polimérica, las técnicas de microencapsulación más usadas son por extrusión, emulsión y
secado por atomización [16]. Siendo por extrusión la técnica
tradicional empleada en las últimas décadas, debido a la
uniformidad de las micro-cápsulas en su forma y tamaño [8].
Actualmente, los estudios se están dirigiendo a
proporcionar alternativas que disminuyan los costos de las
técnicas de inmovilización, en torno a esto se decidió reciclar
partes de impresoras no utilizadas para la fabricación de un
modelo de Extrusor de Micro-perlas de Alginato (EMA), el
cual se planteó utilizando las técnicas de inmovilización
artificial, por el método de goteo simple, debido a lo
conveniente en la porosidad de las micro-perlas para la
inmovilización de enzimas y células, lo que permite la
difusión de los fluidos dentro y fuera de la matriz de alginato
[17].
Valero desarrolló un equipo de extrusión de alginato con
técnica de goteo, constituido por un contenedor de solución,
una cámara de corte, un rotámetro de aire, un regulador de
presión y varias agujas intercambiables. Utilizó el
procesamiento de imágenes para la determinación del número
de esferas producidas [15]
Bashan y col. [18] construyeron un extrusor de microperlas
empleando aire a presión, y expulsándolas en forma de spray
en una trayectoria parabólica [19].
Haeberle y col. [20] desarrollaron un mecanismo que
utiliza la fuerza centrífuga para la fabricación de microperlas
de alginato y un láser difractómetro en la determinación del
tamaño de las microperlas.
La construcción del prototipo para la producción de perlas
de alginato tiene como fin ayudar a producirlas de manera
más rápida y poder determinar el número de ellas generadas,
un dato importante requerido cuando se estima biomasa
celular, en particular, microorganismos fotosintéticos y
promotores de crecimiento vegetal empleados como
inoculante bacteriano, sea para uso en la agricultura o
ambiental.
Todos los métodos de preparación de perlas están basados
en el simple goteo de una solución de alginato de agua, en un
baño de agua gelificante que contiene cationes de calcio –
Ca2+ [21], [22]. Algunos de los Métodos más utilizados son:
Goteo Simple (o por Gravedad), Flujo de Aire Coaxial,
Vibración, Cortador de Disco, Generador de Gotas
Electroestática.
La extrusión es la forma más vieja y común utilizada para
formar cápsulas utilizando hidrocoloides [23]. Es un método
usado por su simplicidad, bajo costo y condiciones de
viabilidad en retención celular altas [24]. La formación de la
micro-perlas/cápsulas se lleva a cabo al realizar una mezcla
de células en una dispersión con Alg-Na, y ésta se gotea
empleando el prototipo EMA en una solución de cloruro de
calcio (CaCl2). Las gotas, al entrar en contacto forman las
perlas de gel casi instantáneamente, atrapando las células en
una matriz de Alg-Ca por unión iónica. El tamaño y
esfericidad de la cápsula dependen principalmente de la
viscosidad de la dispersión del Alg-Na y la distancia entre la
salida de la gota y el recipiente colector. Conforme aumenta
la concentración y la viscosidad del Alg-Na, el tamaño de las
cápsulas disminuye. El diámetro de orificio de la
boquilla/aguja es otro factor importante que regula el tamaño
de la gota [25]
II. MATERIALES Y MÉTODOS
La elaboración de perlas en forma manual, se realizaba
sosteniendo un cilindro con una mano y con el dedo pulgar se
empujaba el émbolo lentamente mientras se contaban las
gotas que caían en la solución de cloruro de calcio. A partir
de esta experiencia se observó que las variables implicadas en
el sistema corresponden: a controlar la velocidad de
producción de gotas y cuantificarlas.
Para la construcción del prototipo se partió de una
impresora de desecho Hewlett Packard Deskjet 610c la cual
se cortó para separar el sistema motor-engrane junto con el
rodillo alimentador de papel, éste fue sustituido por una
tornillo sin fin. En un software CAD (Computer Aided
Design) se diseñaron las piezas para el soporte del cilindro
vertical y el émbolo, que por economía y practicidad, fue
sustituido por una jeringa sin aguja. En el espacio del
actuador, se agregaron dos microswitches para detectar el
vaciado y el llenado del cilindro, y ayudan a proteger los
soportes mecánicos del sistema. En la detección de las gotas,
se instaló un foto-emisor y un foto-detector infrarrojo con un
sistema de acoplamiento de señal. Como interfaz para el
usuario se tiene un teclado y un display LCD. Todo el
conjunto de partes anterior se montó de forma vertical en un
soporte de acrílico y aluminio.
A. Operación del prototipo
La operación del sistema es un conjunto de
Microcontrolador (MCU = Micro Controller Unit)
MSP430G2553 de Texas Instruments (TI) [26] y un algoritmo
de control. El diagrama a bloques del extrusor se presenta en
la Fig. 1. La MCU se interconecta con el motor de paso
PM55L-048 de Mitsumi Electric [27] a través del puente H
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L298 de STMicroelectronic [28]. Éste encapsulado permite la
interconexión de las señales de control digitales de bajo
voltaje con las que alimentan las bobinas del motor,
permitiendo el estímulo independiente en cada una de ellas
para realizar los cambios de velocidad y sentido de giro. El
tornillo sin fin que esta acoplado al émbolo del cilindro gira
gracias al sistema de engranes acoplado al motor, para
otorgar un movimiento vertical sea ascendente o descendente
y mantener un flujo constante de producción de gotas. Un par
de detectores de posición le indican al MCU el momento del
vaciado total del cilindro, y el otro detector, para retornar el
pistón nuevamente a la posición de llenado y detenerse
completamente en espera que sea iniciado nuevamente por el
operador.
servicios de interrupción. El bloque 4 envía al puerto la
secuencia de bits al motor de acuerdo al sentido de giro. El
bloque 5 actualiza la información del contador de gotas. El
bloque 6 revisa el valor máximo programado para el conteo
de la secuencia del motor. El bloque 7 incrementa el contador
de la secuencia del motor y el bloque 8 reinicializa el
contador.
En la Fig. 3, la rutina de servicio de atención de
interrupción del timer0, en el bloque 9, se incrementa un
contador hasta el valor de 10 ms., esta variable se utiliza para
el antirrebote de los pulsadores. El contador de secuencia del
motor también es incrementado.
Inicio
Detector de Posición
(Final de Carrera)
Acondicio
namiento
Contador
de Gotas
(Sensor
GP1S58)
Boquilla
(Jeringa)
1 clear(countDroplet,enMotor,
Debounce,tmpMotor)
Tubo o
Recipient
e (Jeringa)
Driver
LED IR
MUC
MSP430
G2553
Driver
Motor
Modulo
L298
Motor
PM55L048
Engranaje
s
Tornillo
sin Fin
Embolo
(Jeringa)
Interfaz de Usuario
Teclado
de Control
• ▲ Incremento
• ▼ Decremento
•
/ Inicio / Pausa
• ■ Parar
Dispositivos de
Visualización
La estructura del código está conformada por el programa
principal, Fig. 2 y los servicios de atención a interrupciones
vectorizados. Figuras 3 y 4. En el principal, los bloque 1, 2 y
3 inicializan las variables indicadas, y configuran los
3
Init(TIMER0_A0|Port1,
LCD)
4
out(stdMotor[secMotor])
5
print(countDroplet)
no
tmpMotor
FIG. 1. Diagrama a bloques del sistema de Control del
Extrusor
B. Descripción del programa
set(dirMotor)
6
• LCD
• LED's
• Buzzer
El teclado permite al usuario proporcionar los parámetros
de velocidad de vaciado y número de gotas a producir, los
cuales se visualizan en un display de cristal líquido (LCD =
Liquid Crystal Display). La MCU envía la información
relacionada del tiempo y número de gotas que se generaron
durante la operación. El sensor detector de gotas GP1S58 de
SHARP (Sharp Electronic Components) [29], envía las
señales a un módulo que las acondiciona y filtra para la
MCU.
2
7
si
secMotor++
8
clear(tmpMotor)
Bucle
FIG. 2. Diagrama de flujo del programa principal
La fig. 4 corresponde al servicio de interrupción del
puerto1. Este vector atiende más de una entrada de
interrupción, por lo cual funciona en modo escrutinio y
verifica 4 señales. El bloque 12 verifica el botón de inicio
para el arranque del motor y sentido de giro que empuja el
émbolo. Si proviene del bloque 14, corresponde al sensado de
gotas y es incrementada la variable. Si es del microswitch,
bloque 18, indica que se vació la jeringa, entonces se cambia
el sentido de giro del motor hasta que llegue la interrupción
del sensor de posición inicial que detiene al motor.
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con alginato por el sensor se presenta en la Fig. 5. La curva
azul es obtenida del sensor, la cual presenta una ligera
curvatura en la parte superior debido a la opacidad de la gota,
y la curva verde es la obtenida del acoplador de señal para
niveles lógicos en la entrada del microcontrolador.
Inicio Interrupción
9
tmpMotor++
Debounce++
10
no
Debounce
si
11
clear(Debounce)
enable(PORT1&
(playBTN,buttonBTN,
topBTN))
Fin
FIG. 3. Diagrama de flujo servicio de interrupción del timer0
FIG. 5. Señal eléctrica del paso de la gota por el fotointerruptor
III. RESULTADOS
Inicio Interrupción
12
si
13
si
15
si
17
playBTN
set(enMotor)
clear(dirMotor)
disable(PORT&playBTN)
no
14
irSEN
countDroplet++
no
16
buttonBTN
set(dirMotor)
disable(PORT&buttonBTN)
no
si 19
18
topBTN
clear(enMotor,dirMotor)
disable(PORT&topBTN)
Se realizaron varios ensayos a diferentes velocidades hasta
ajustar la velocidad del motor del prototipo (ver Fig. 6), hasta
que se produjeran las gotas separadas y sin chorro. Estas
cayeran en la solución de cloruro de calcio para formar las
perlas de alginato (ver Fig. 7). Estos ajustes de velocidad
dependen también de la viscosidad de la solución con alginato
preparada.
La producción de perlas de alginato se generó en un tiempo
menor a un minuto con una carga de 50 cc de solución lo que
de forma manual tomaba un tiempo mayor a 15 minutos dado
que el conteo se realizaba en forma visual.
Las gotas fueron detectadas y se pudieron determinar el
número de ellas producidas por el extrusor. Cada gota tomó
un tiempo de 7 ms al pasar por el detector (ver Fig. 5).
no
Fin
FIG. 4. Diagrama de flujo servicio de interrupción del puerto1
C. Sensado de gotas
La gota siendo sólo de agua, cuando atraviesa el fotointerruptor tiene un comportamiento similar al de una lente
biconvexa, se generan dos picos inversos en la señal
monitoreada del detector. El primero se produce al entrar en
el rayo de luz infrarroja y el otro cuando sale de éste a la
velocidad en caída libre. Esta señal se filtra por medio de un
bloque de amplificadores operacionales y se acondiciona a
niveles lógicos para una lectura clara por parte del MCU. El
patrón gráfico correspondiente al paso de una gota de agua
FIG. 6. Vista frontal y posterior del Prototipo del Extrusor
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FIG. 7. Perlas producidas por el Extrusor.
IV. CONCLUSIONES
Se ensamblaron las partes mecánicas y eléctricas y se dio
inicio a comprobar el comportamiento del motor-engrane,
aspecto importante que permitió generar el suficiente torque y
fuerza de desplazamiento del émbolo. Se detectaron las
señales lógicas de inicio y fin de carrera, y se cumplió la
función de limitar el espacio de trabajo del cilindro-pistón.
Los equipos de desecho se pueden aprovechar para extraer
sus partes y darle un uso particular como se muestra en este
proyecto, lo que resultó conveniente y práctico para el
laboratorio de Microbiología Agrícola y Ambiental
(MAGYA)
El prototipo requiere ser mejorado en las funciones de
velocidad y reducción de error en el conteo de perlas, también
se debe ajustar para diferentes diámetros de agujas, esto
requiere un mecanismo adaptable a tamaños y longitudes. La
velocidad se puede incrementar pero se requiere utilizar un
inyector de aire.
Las necesidades actuales en el grupo de investigación no
requieren una precisión alta en cuanto al tamaño de la perla,
pero será un aspecto que se trabajará posteriormente
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