Images acquisition of multiphase dispersions in fermentation processes

 

B. Taboada¹, P. Larralde², T. Brito³, L. Vega-Alvarado¹, R. Díaz, E. Galindo³ & G. Corkidi¹

 

¹ Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, UNAM., Apdo. Postal 70-186, México 04510, D.F.

² Centro de Biotecnología del IPN, Reynosa, Tamaulipas.

³ Instituto de Biotecnología de la UNAM, Av. Universidad 2001, Col. Chamilpa, Cuernavaca, Morelos, CP.62250, Méxco. E-mail: corkidi@sgima.ceingebi.unam.mx

 

Received: May 9^th 2001.
Accepted: March 8^th2002.

 

ABSTRACT

Multiphase mixing is a common operation in fermentation process. However, one of the main problems for online automatic monitoring of dispersions occurring in microbial cultures in a mechanically stirred bioreactor, is the difficulty in acquiring images (in motion) clear enough to characterize its elements (mainly air, water, oil and biomass) and their interactions during cultivation. Once the images to be analyzed have been acquired, other problems arise related to the complexity and diversity of object artifacts captured in the visual field. The heterogeneous transparency of some objects, low contrast and similarity between different classes of objects are, among others, major problems for the automation of image analysis procedures. The purpose of this work is to present a system that allows the on-line acquisition of images inside a mechanically stirred tank the images are digitally obtained by connecting a TV camera to a stereomicroscope. The scanning of the camera is synchronized to the flashing of a stroboscope, which acts as the light source and is equipped with a submergible probe. These illumination conditions allow obtaining high quality images that can be further analyzed to quantify size distributions of air bubbles and oil drops in multiphase dispersion, and to observe the dynamics of phase interactions (solid, liquid and gaseous) in a model culture.

Keywords: Four-phase system, bubble sizes, drop sizes, image acquisition.

 

RESUMEN

El mezclado de multifases es una operación común en el proceso de fermentación. Sin embargo, uno de los principales problemas que presenta la automatización del monitoreo en línea de las dispersiones que ocurren dentro de un cultivo microbiano en un fermentador bajo condiciones de agitación mecánica, esla dificultad en la adquisición de imágenes (en movimiento) lo suficientemente claras que permitan caracterizar sus elementos (principalmente aire, agua, aceite y biomasa) y su interacción durante su cultivo. Una vez que las imágenes a ser analizadas han sido adquiridas, otro problema que se presenta está relacionado con la complejidad y diversidad de objetos/artefactos capturados en el campo visual. La transparencia heterogénea de algunos objetos, el bajo contraste y la similitud entre las diferentes clases de objetos son, entre otros, problemas mayores para la automatización de los procedimientos de análisis de imágenes. El objetivo de este trabajo es presentar un sistema que permite la adquisición de imágenes en línea de lo que ocurre dentro de un tanque agitado mecánicamente. Las imágenes son digitalmente obtenidasmediante una cámara de TV conectada a un estereomicroscopio. El barrido de la cámara es sincronizado con la luz de un estroboscopio, el cual actúa como fuente de luz y está equipado con una sonda sumergible. Estas condiciones de luz permiten obtener imágenes de alta calidad que pueden posteriormente ser analizadas para cuantificar el tamaño de las distribuciones de burbujas de aire y gotas de aceite en una dispersión multifásica y observar las dinámicas de las interacciones de las fases (sólida, liquida y gaseosa) en un cultivo.

 

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