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INTRODUCCION
La biotecnología implica el desarrollo de aplicaciones tecnológicas con entidades biológicas, para ser usadas o modificadas para las necesidades del ser humano (Raju 2016). Por su amplio rango de aplicación, la biotecnología se ha clasificado por colores (Kafarski 2012), también han surgido otras clasificaciones de acuerdo a las áreas de uso, como biotecnológico, codificación del ADN , proteínas, procesos biotecnológicos (Matyushenko et al., 2016). En los procesos biotecnológicos, los biorreactores o fermentadores son el componente elemental, tanto en la producción de proteínas, antibióticos y ácidos orgánicos (Mosier & Ladisch 2011), un biorreactor es un recipiente de vidrio o acero inoxidable (Aizawa et al. 2007), donde se lleva a cabo la reacción con microrganismos específicos, proporcionando un ambiente controlado para su óptimo desarrollo (Wang & Zhong 2007). Las principales funciones de un biorreactor radican en garantizar la esterilidad durante todo el proceso, la capacidad de introducción de reactivos líquidos y gaseosos, eliminación de productos, control del entorno (temperatura, velocidad de agitación y pH) y generar un mezclado perfecto (Liu 2020).
Los biorreactores agitados mecánicamente, son los más ampliamente utilizados en la industria (Kracík et al., 2020). En un proceso aeróbico, la aireación es un factor importante y es suministrada por un compresor y distribuida por un agitador el cual es impulsado por un motor externo (Fitzpatrick et al., 2020; Satitrueg & Soottitanta-wat 2019). Cada bioproceso es diferente dependiendo del microorganismo y sustrato empleados, presentando diversos desafíos que se deberán superar continuamente (Kowalska et al., 2020). Para superarlos, la electrónica está presente en los procesos industriales, desarrollando sistemas electrónicos modulares y eficientes permitiendo su automatización (Nieto 2006), reduciendo considerablemente las tareas del operario (Ponsa & Arbós 2006), minimizando los errores humanos en la industria (Corona et al., 2014). El microcontrolador es la pieza clave para automatizar un proceso (López & Oñate 2015), es un circuito integrado con la capacidad de ser programable (Güven et al., 2017). Actualmente, el microcontrolador ATmega328 por sus prestaciones que ofrece ha sido incorporado en las placas de Arduino (Arduino 2020). Arduino UNO, al ser una plataforma de libre acceso (Ortiz & Anguiano 2018), se convierte en una alternativa viable e interesante de bajo costo, para el desarrollo de aplicaciones enfocadas al monitoreo y control de un proceso (Saji et al., 2017). Para que un sistema de control sea atractivo, dependerá del dise.o de su interfaz (Moreno 2001), la interfaz es una herramienta interactiva que proporciona toda la información del sistema al usuario, permitiendo el análisis total de la información de forma clara y concisa (González 2019). Actualmente, se puede hacer uso de una pantalla táctil como interfaz (Holzinger 2002). La pantalla táctil Nextion, es una opción atractiva para ser usada para dicho propósito, gracias a las diversas prestaciones que ofrece (Nextion, 2020), permitiendo una gran facilidad en su programación (Benavides & Miranda 2019) como en la comunicación entre las placas de Arduino (Bento 2018).
En la operación de un fermentador, los desafíos están latentes y pueden presentarse en cierta etapa del bioproceso, pero pueden ser superados gracias a la incorporación de la electrónica. Actualmente, se encuentran en el mercado fermentadores destinados a diversas aplicaciones, por sus prestaciones y características que poseen, el biorreactor Minifors 2® contiene una pantalla táctil para poder calibrar los sensores y ajustes de configuración (Inforts-HT 2020), el biorreactor Bio-Book ® , posee cuatro bombas peristálticas, con la opción de conectar varios sensores (Solida Biotech 2020), el biorreactor F1® tiene la capacidad de convertirse en un fotobiorreactor, proporcionando al usuario formas de visualizar, analizar y administrar los datos (Bionet® 2020), el fotobiorreactor Algaemaster 10®, ofrece un control computarizado de iluminación, temperatura, agitación, pH y dosificadores de líquido y gas (ProfiLab24 2020).
En resumen, hoy en día existen diversas compa.ías dedicadas a la venta de biorreactores; todos ellos presentan algo en común, estar acoplados a una interfaz gráfica para el monitoreo y control del bioproceso, cada inter-faz incluye su propio software, convirtiéndose en un equipo sumamente costoso. Por lo anterior, se dise.ó y desarrolló la interfaz Fermenta V1.0 orientada al soporte de operaciones comúnmente usadas en un fermentador, usando software de acceso libre proyectada para poder adaptarse a un conjunto de dispositivos electrónicos de fácil adquisición.
METODOLOGÍA
MATERIALES
A continuación, se mencionan los materiales utilizados en el desarrollo del presente trabajo: Arduino UNO, módulo de motor L298N, pantalla Nextion de siete pulgadas (in), leds de color azul, leds de color rojo, led rojo-verde-azul (RGB), motor 12 volt (V), potenciómetros 100 kiloohm (kÙ), resistores. Para poder programar la placa Arduino UNO fue necesario descargar el Entorno de Desarrollo Integrado (IDE), del sitio oficial de Arduino (Arduino 2019), para el dise.o de la interfaz se descargó el editor Nextion de la página oficial (Nextion 2020).
Diseño de las pantallas o secciones
Para el diseño de la interfaz, el primer paso fue determinar los requerimientos básicos de la operación de un biorreactor, en la figura 1, se representa el esquema integral de un fermentador, la información fue recopilada tomando en cuenta las características de diversos biorreactores comerciales, el siguiente paso fue la programación de la pantalla Nextion.
(Fuente: Elaboración propia)
Figura 1 Ilustración esquemática de un biorreactor. En la parte central se muestra el biorreactor con diversos sensores en su interior, con un impulsor y accionado, equipado con un módulo de iluminación, del lado derecho el sistema de aireación y un enfriador, del lado izquierdo se muestran las bombas peristálticas y un módulo de monitoreo y control del proceso.
Para el correcto diseño de la interfaz fue necesario diseñar varias páginas o secciones, para lograrlo se utilizaron los objetos con los que cuenta el editor Nextion, tales como imagen, número, cuadro de texto, barra (slider) y botón, modificando sus atributos de tamaño, color y posición; posteriormente, se programaron las acciones a desempe.ar al momento de tener un evento.
Se diseñaron un total de seis páginas o secciones que cubren las operaciones básicas de un biorreactor, (a) página principal, (b) sección de sensores, (c) página de agitación o mezclado, (d) sección de bombas peristálticas, (e) válvulas solenoides, (f) configuración.
Se hizo énfasis en incluir la imagen de un fermentador en la parte central de cada una de las secciones que conforman a la interfaz. Con la finalidad de poder acceder a todas las secciones se desarrolló un pequeño menú en la parte inferior del fermentador, cada página provee al usuario información relevante acerca de cada uno de los dispositivos que integran al fermentador. A continuación, se comenta brevemente las páginas que integran a la interfaz Fermenta V1.0.
Página principal. En esta página se incorporó el esquema de un fermentador, a un lado de cada actuador se incluyeron pequeños círculos que representan leds, su principal función fue informar el estado del dispositivo encendido (verde) o apagado (rojo), en la parte inferior del fermentador, se colocó un menú para poder acceder a otras secciones de la interfaz.
Página o sección de sensores. Su diseño consistió en emular los sensores básicos usados en un fermentador como temperatura, pH, oxígeno disuelto, potencial óxido reducción (ORP). Para su acceso, se construyó un menú con cuatro botones para cada sensor y fue localizado en la parte inferior de la figura de fermentador, se habilitaron cuatro ventanas para la visualización de los datos recolectados por cada sensor. Para evitar saturar la pantalla, se decidió habilitar la opción de ocultar/ mostrar el valor de cada sensor. En la emulación de los sensores, fue necesario recurrir al uso de potenciómetros, recordando la fórmula de la ley de Ohm (1); en un circuito eléctrico, que fluye cierta intensidad de corriente (I), al momento de hacer girar la perilla del potenciómetro, la resistencia (R) cambiará de manera proporcional al voltaje (V). Por lo tanto, la variación de voltaje suministrado por el potenciómetro como un valor analógico hacia la placa Arduino UNO, podrá ser leído y traducido como una lectura de un sensor (emulación) y será mostrado en la pantalla Nextion.
Página o sección de agitación o mezclado. En esta sección se agregó un menú con tres botones, el primer botón mostró la velocidad del motor en revoluciones por minuto (rpm); el segundo botón, desplegó la información del impulsor que se está usando y el tercer botón, para regresar a la página anterior, al igual que las lecturas de los sensores, se habilitó una ventana para la visualización de la velocidad del motor.
Página o sección de bombas peristálticas o dosificadoras. Se incorporaron en la barra del menú cuatro botones, cada uno para cada bomba, al igual que en la sección de sensores, se emuló la activación de las bombas peristálticas con el uso de varios leds, se programó de tal manera que Arduino UNO mandará una señal de encendido hacia el led, con la finalidad de simular la activación de la bomba peristáltica y caso contrario al desactivar la bomba peristáltica se debería de apagar el mismo led. Como ejemplo se hace mención de la bomba peristáltica encargada de dosificar un ácido, se debe de configurar un límite superior y un límite inferior de pH con la finalidad de activar/desactivar la bomba dosificadora (rango de trabajo o set-point), la variación de pH se realizó con el potenciómetro encargado de emular al sensor de pH. Una vez configurado el rango de trabajo de pH, al incrementar el valor de pH con el potenciómetro y sobrepasar el rango de trabajo, Arduino manda una señal y habilita a un led que emula a la bomba dosificadora de ácido, al volver modificar el valor de pH con el potenciómetro dentro del rango de trabajo, Arduino inhabilita el led, simulando la desactivación de la bomba dosificadora.
Página o sección válvulas solenoides. En esta sección se diseñó un menú con la posibilidad de controlar ocho válvulas solenoides, Al igual que las bombas peristálticas, para simular el encendido/apagado de las válvulas solenoides, se recurrió nuevamente del uso de los leds controlados por Arduino UNO.
Página o sección configuración
En esta sección, se incorporó un "set-point" o "rango de trabajo" con la finalidad de tener el control en el bioproceso, también se habilitaron dos módulos adicionales al "set-point", un módulo de agitación para controlar la velocidad del motor y el segundo módulo fue habilitado para controlar la iluminación del led RGB con el uso de tres barras como control de cada canal rojo, verde y azul del led.
(Fuente: Elaboración propia)
Figura 2 Placa de control. Con el uso de los potenciómetros se modificó el voltaje suministrado a las entradas analógicas de la placa Arduino UNO y la incorporación de Leds como instrumentos de aviso del sistema controlado por la interfaz Fermenta V1.0..
Una vez que se terminó de diseñar las seis secciones de la interfaz, se procedió a cargar la información a la pantalla Nextion, el siguiente paso consistió en realizar la comunicación con la placa Arduino UNO y posteriormente se desarrolló el código de programación para la placa Arduino UNO. En sitios oficiales se puede acceder a diversos tutoriales para la correcta programación de Arduino y de la pantalla Nextion.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Armado de la maqueta de control
Para la emulación tanto de los sensores, bombas peristálticas y válvulas solenoides fue necesario la elaboración de una placa de control, la cual consistió en una placa perforada en donde se colocaron los potenciómetros que fungieron como los sensores y los leds que sustituyeron a las bombas y válvulas.
A continuación, se explica en detalle cada dispositivo incluido en la placa de control de la interfaz
Fermenta V1.0.
A. Potenciómetro que representó el sensor de pH. B. Potenciómetro que simbolizó el sensor de temperatura. C. Potenciómetro que emuló el sensor de concentración de oxígeno D. Potenciómetro que sustituyó al sensor de potencial óxido reducción (ORP) E. Potenciómetro que validó la velocidad del motor.
Recuadros en color blanco
Representó a las cuatro bombas peristálticas, cada recuadro es acompañado por un led, si el elemento estaba activo el led se encenderá o en estado de reposo se apagará.
Recuadros en color azul
Incluyó un total de ocho válvulas solenoides, similar a las bombas peristálticas, se incorporaron ocho leds, cada led representó a cada válvula del sistema, con la finalidad de simular la activación de la válvula solenoide seleccionada en la interfaz Fermenta V1.0.
(Fuente: Elaboración propia)
Figura 3 Diagrama de conexiones. Representación de las conexiones realizadas entre la placa Arduino UNO, pantalla Nextion, módulo de control del motor y los componentes de la placa de control.
(Fuente: Elaboración propia).
Figura 4 Pantalla principal. Diseño general de la interfaz Fermenta V1.0, en la parte inferior se encuentra la barra de opciones, en la parte central el esquema de un fermentador, en la parte izquierda las bombas dosificadoras y en extremo derecho el sistema de control de temperatura, suministro de aire y recuperación de producto.
Elipse en color verde
En esa área está alojado un led RGB, el cual representa o emula al sistema de iluminación, dicho sistema de iluminación generó diversas tonalidades del espectro visible, al modificar en la pantalla Nextion las barras de control correspondientes a cada canal rojo, verde y azul.
Puertos
Los rectángulos en color azul representan a los puertos de la placa de control, su función es la siguiente: 1. Puerto de entradas analógicas, en este caso reciben la información de potenciómetros. 2. Puerto de salidas digitales, aquí nos encontramos con todos los indicadores led. 3. Puerto 1 de alimentación de la placa. 4. Puerto 2 de alimentación de la placa, en caso de requerir conectar algún elemento no considerado en el diseño.
Diagrama de conexiones
Las conexiones que se realizaron en la placa de control, se pueden consultar en la figura 3, en dicha figura se ejemplifica las partes que conforman a la interfaz Fermenta V1.0.
Apariencia de la interfaz
A continuación, se menciona la función de cada uno los botones que conforman la barra de opciones de la página principal.
A. botón de sensores, se podrá consultar los sensores con los que cuenta el equipo.
B. botón de agitación: se podrá verificar el tipo de impulsor y la velocidad a la cual gira el motor. C. botón de bombas peristálticas, indica la función que tiene cada una de las bombas con las que cuenta el fermentador.
D. botón válvulas solenoides, permite trasladarse a la sección del control de válvulas solenoides.
E. acceso a la configuración, dentro de esta opción se puede modificar el set-point del proceso, activar las válvulas solenoides, o modificar el sistema de iluminación.
F. botón de retorno, al presionarlo regresa a la página principal.
Prototipo terminado
Al terminar de armar la placa de control y conectar la placa de Arduino UNO, la pantalla Nextion y el motor, se procedió a probar la comunicación entre la pantalla Nextion y la placa de Arduino UNO, manipulando cada sección de la interfaz, accionando cada uno de los botones de la barra de opciones ubicada en la parte inferior de la figura del fermentador. Se activaron de manera exitosa los leds que simularon las bombas dosificadoras, del mismo modo se activaron los leds que representaron a las válvulas solenoides, se manipularon adecuadamente las diferentes tonalidades del led RGB, del mismo modo se logró controlar la velocidad del motor incorporado en el prototipo de la interfaz y por medio de los potenciómetros que emularon a los diversos sensores, se comprobó la correcta comunicación en todo el sistema que conforma la interfaz Fermenta V1.0.
En la figura 5 se muestra el prototipo terminado, para su explicación se delimitaron cinco áreas. (A) El motor, en la parte superior izquierda, simboliza al dispositivo que mueve al agitador del fermentador. (B) Dispositivo electrónico que permite alimentar al motor. (C) El cerebro de la Interfaz, la placa Arduino UNO. (D) La maqueta de control. (E) pantalla Nextion en operación.
(Fuente: Elaboración propia).
Figura 5 Funcionamiento de la Interfaz Fermenta V1.0. Se muestra el prototipo completo, que incluye la pantalla Nextion, la placa Arduino UNO, la maqueta de control y el motor que ejemplifica la fuente de mezclado en un fermentador. Los recuadros representan diferentes partes que componen al prototipo.
La gran ventaja que se obtiene al trabajar con Arduino UNO y otras placas de programación de libre acceso (Raspberry Pi, Banana Pi, BeagleBone, etc.), es la disponibilidad en el mercado de un gran número de sensores tanto de temperatura, pH, potencial oxido-reducción (ORP), CO2, metano, oxígeno disuelto, densidad óptica, iluminación, flujo volumétrico al igual de dispositivos electrónicos como bombas peristálticas, válvulas solenoides, relevadores, motores, pantallas a un precio accesible, todos esos dispositivos pueden ser incorporados a la placa para desarrollar sistemas robustos e integrales de monitoreo y control en un proceso determinado.
Se ha determinado que las interfaz hombre-maquina (HMI) cada vez adquieren una notable trascendencia en la automatización de proyectos en el área biológica (González 2019), el uso de pantallas táctiles Nextion, en base a la opinión de Benavides & Miranda en el 2019, consideraron que el editor Nextion proporcionó las herramientas necesarias para poder diseñar una interfaz capaz de visualizar y controlar las señales provenientes de los sensores utilizados, de igual manera como lo hizo notar Pérez en el 2017 con el uso de Arduino UNO fue posible conectar sensores de pH, temperatura y actuadores como bombas de llenado, válvulas y motores, también se ha destacado el uso del Entorno de Desarrollo Integrado (IDE) de la plataforma Arduino en la programación de la placa Arduino UNO, por ser una plataforma de acceso libre y contar con una gran cantidad de librerías para realizar proyectos integrales y autónomos (Peñalver, Arroniz, Canales, Buendía, & Martínez 2014).
CONCLUSIONES
Con el uso de lenguajes sencillos de programación y dispositivos electrónicos de libre acceso como Arduino UNO y pantallas Nextion, se logró diseñar la interfaz Fermenta V1.0 orientada a la simulación en el monito-reo y control de un proceso básico de un fermentador.
El desempeño adecuado de la interfaz Fermenta V1.0 fue comprobado a través de la navegación de las secciones que la conforman, fue capaz de adquirir y emitir señales tanto analógicas y digitales a través de Arduino UNO como unidad de control con la manipulación de los potenciómetros.
Impulsar el uso de las placas de libre acceso en la enseñanza de futuros programadores, encaminará a explorar, aprovechar y desarrollar aplicaciones útiles en la agricultura, biotecnología, ciencias naturales, ciencias exactas y de la salud.
