Ejemplo 2
Control de espuma asistido por ultrasonidos en el procesamiento farmacéutico
Motivación y contexto industrial
La formación de espuma es un problema crítico y bien conocido en los procesos de fermentación aeróbica, especialmente en la producción farmacéutica y biotecnológica. El exceso de espuma puede comprometer la esterilidad, limitar la transferencia de oxígeno, interferir con los sensores y provocar la adición continua de agentes antiespumantes químicos.
Aunque los antiespumantes químicos son eficaces y se utilizan ampliamente, su presencia puede afectar negativamente a los procesos iniciales y finales (upstream y downstream), incluyendo la eficiencia de la transferencia de masa, la reología del caldo y la recuperación del producto. Por este motivo, reducir o eliminar potencialmente su uso sin comprometer la estabilidad del proceso es de gran interés industrial.
Los ultrasonidos de potencia aéreos representan un enfoque físico para la mitigación de la espuma, actuando mediante presión acústica, resonancia de burbujas y desestabilización mecánica de las estructuras de la espuma. Sin embargo, su implementación efectiva en fermentadores reales requiere un diseño acústico, mecánico y geométrico cuidadoso, adaptado al proceso específico y a la configuración del recipiente.
Desafío de ingeniería
El principal desafío abordado en este proyecto fue el diseño e integración de un sistema de desespumado por ultrasonidos adecuado para su funcionamiento en un fermentador farmacéutico a escala piloto, bajo condiciones reales de proceso.
Las principales limitaciones incluyeron:
- Acceso y posicionamiento limitados desde la tapa del fermentador
- Nivel de líquido variable durante la fermentación
- Requisitos de esterilización, robustez mecánica y comportamiento térmico
- Compatibilidad con el funcionamiento estándar de la fermentación (aireación, agitación, sensores)
El objetivo principal era demostrar la eficacia del propio enfoque ultrasónico para el control de la espuma en un entorno industrial realista. La posterior adopción de una estrategia híbrida, que combina los ultrasonidos con un uso reducido de antiespumantes químicos, surgió de forma natural a partir de los resultados experimentales.
Diseño y modelado del sistema ultrasónico
El trabajo consistió en el diseño e integración de una sonda de desespumado por ultrasonidos aéreos, compuesta por un transductor piezoeléctrico, un emisor (horn) y una punta radiante, sintonizados para operar en el rango de bajas frecuencias ultrasónicas.
Los aspectos clave del desarrollo incluyeron:
- Sintonización acústica y mecánica del conjunto vibratorio
- Modelado por elementos finitos (FE) del comportamiento electromecánico y acústico acoplado
- Predicción del campo acústico radiado sobre la superficie del líquido
- Optimización de la amplitud de vibración y de la superficie radiante para maximizar la potencia acústica en el aire
La potencia acústica radiada se analizó utilizando la relación clásica:
donde “ρₒcₒ” es la impedancia acústica del medio (aire), S la superficie radiante, f la frecuencia de funcionamiento y U la amplitud de vibración de la punta radiante.
Esto resalta la fuerte dependencia de la eficacia del desespumado respecto a la amplitud y la frecuencia de vibración, siendo ambos factores clave en el diseño de sistemas ultrasónicos aéreos.
Se utilizaron modelos CAD 3D y simulaciones FE (COMSOL Multiphysics) para predecir el comportamiento de la resonancia, los niveles de tensión y la distribución del campo acústico. Posteriormente se fabricó el prototipo del sistema ultrasónico y se validaron experimentalmente los datos de FE, confirmando la precisión del enfoque de modelado.
Validación experimental a escala piloto
El sistema de desespumado por ultrasonidos se instaló en un fermentador piloto comercial de 20 l y se evaluó durante varias sesiones de fermentación.
La integración mecánica de la sonda ultrasónica en el fermentador se ilustra en la Figura 1. El posicionamiento de la sonda con respecto a la superficie del líquido, aunque no es explícitamente visible en la figura, se identificó como un parámetro crítico durante la evaluación experimental.
El campo de presión acústica generado por la sonda se caracterizó experimentalmente en el aire utilizando un micrófono calibrado, como se muestra en la Figura 2. Las mediciones se realizaron tanto axialmente, frente a la punta radiante, como a lo largo de un plano transversal que interseca la ubicación de la presión acústica máxima. Estas mediciones proporcionaron una validación directa de la distribución del campo acústico predicha.
El control de la espuma se logró mediante una combinación de:
- Activación de ultrasonidos (US)
- Suplementación reducida de antiespumante químico
La observación visual a través de la mirilla del fermentador confirmó el colapso efectivo de la espuma cuando se activaron los ultrasonidos (Figura 3). La Figura 3b, presentada como una animación, ilustra la supresión de la espuma en tiempo real.
Figura 1. Dispositivo de desespumado por ultrasonidos y sus componentes principales
Figura 2. Campo acústico a 26 kHz medido por micrófono
Figura 3. Control de la espuma mediante energía ultrasónica: (a) fermentador con desespumador incorporado; (b) animación del control de la espuma por US
Observaciones y resultados clave
- Los ultrasonidos demostraron ser eficaces para colapsar las capas de espuma por encima de la superficie del caldo, reduciendo visiblemente la altura de la espuma durante el funcionamiento.
- Cuando se operaba a distancias adecuadas entre la sonda y el líquido, se podía mantener un control estable de la espuma durante períodos prolongados, incluso durante las fases más propensas a la formación de espuma.
- A través de múltiples ensayos, se identificaron configuraciones de funcionamiento en las que la espuma podía controlarse con una reducción sustancial del uso de antiespumantes químicos en comparación con las fermentaciones de referencia sin ultrasonidos.
- Los indicadores de rendimiento de la fermentación no se vieron afectados negativamente; de hecho, bajo algunas condiciones de funcionamiento, el rendimiento del proceso pareció mejorar cuando se utilizó el desespumado asistido por ultrasonidos junto con una adición reducida de antiespumante químico.
Este estudio demostró que la geometría, el posicionamiento y la estrategia de funcionamiento son fundamentales para el rendimiento. Al mismo tiempo, los resultados resaltan claramente el potencial de la tecnología ultrasónica para el control de la espuma cuando se diseña e integra adecuadamente en entornos industriales reales.
Resultado y relevancia
Este estudio piloto destaca la capacidad para:
- Diseñar y sintonizar sistemas ultrasónicos de potencia personalizados para entornos industriales exigentes
- Combinar el modelado acústico, el diseño mecánico y la validación experimental
- Traducir los principios ultrasónicos en soluciones de procesos prácticas a escala piloto
Los resultados respaldan la viabilidad de las estrategias de desespumado asistidas por ultrasonidos, especialmente como parte de enfoques híbridos destinados a reducir significativamente la dependencia de los antiespumantes químicos. Aunque el escalado industrial sigue siendo un desafío de ingeniería, los resultados obtenidos a escala piloto fueron técnicamente sólidos y prometedores.