Biorreactor de Columna de Burbujeo. Este tipo de bioreactor carece de un sistema de transmisión mecánica para mezclar el caldo de cultivo, es básicamente un contenedor cilíndrico con un eyector de gas en el fondo. Este gas es expulsado en forma de burbujas ya sea hacia una fase liquida o hacia una suspensión solida-liquida. Son extensamente utilizados como reactores polifásicos en la industria química, bioquímica, petroquímica y metalúrgica. Son especialmente usados en reacciones que involucran reacciones tales como oxidación, cloración, alquilación, polimerización e hidrogenación, en la producción de combustibles sintéticos a través de un proceso de conversión de gas y en reacciones bioquímicas tales como fermentación y tratamiento de aguas residuales.
También son utilizados para producir productos con valor agregado tales como enzimas, antibióticos y proteínas.
Generalmente 2 modos de operación son validos en los biorreactores de columna de burbujeo: el modo continuo y el semi-continuo. En el modo continuo el gas y la suspensión fluyen simultáneamente hacia la columna y la suspensión que deja la columna es reciclada hacia el tanque de alimentación, además de que la velocidad superficial del liquido es mantenida siendo menor a la velocidad superficial del gas en por lo menos un entero. En el modo semicontinuo, la suspensión es estacionaria, es decir que no hay adición constante de líquidos mientras existe el burbujeo constante.
El biorreactor de columna de burbujeo de tamaño industrial opera usualmente con una proporción de longitud-a-diámetro de por lo menos 5. En aplicaciones bioquímicas este valor varia usualmente entre 2 y 5. El empleo de grandes diámetros en los biorreactores son deseados cuando se busca grandes rendimientos del gas involucrado. Además, grandes alturas en las columnas son requeridas para obtener eficientes niveles de conversión. Cuando las columnas son grandes se pueden emplear platos perforados colocados en posiciones intermedias de las mismas para dispersar las burbujas de gas. El diseño y la escala de los biorreactores de columna de burbujeo dependen de la cuantificación de 3 principales fenómenos: •
Características de transferencia de calor y masa •
Características de mezclados •
Cinéticas químicas en el sistema de reacción El diseño y construcción de este tipo de biorreactores ha ganado atención considerable en anos recientes debido a la complejidad hidrodinámica y su influencia en las características de transporte. A continuación se presenta un modelo de investigación realizado para estudiar lo siguiente: dinámica de fluidos, velocidades del liquido y la fracción del volumen que es ocupado por las burbujas de gas. •
Sistema Aire-Agua •
14–19 and 44 cm i.d. columnas, •
Platos perforados esparcidores with 0.33, 0.4, 0.7 •
1 mm diámetro de los orificios
•
Inyector de burbujas con un diámetro de orificios de 5 mm •
Velocidad del Gas (cm/s): Up to 12 Más específicamente, los parámetros hidrodinámicas para el diseño de este tipo de reactores son: •
Área especifica interfacial liquido-gas •
Coeficientes de dispersión axial de sólidos •
Diámetro de la burbuja eyectada. •
Coeficientes de dispersión axial de gas y líquido. •
Coeficiente de transferencia de calor promedio entre los componentes de transferencia de calor inmersos y de mezclado. •
Coeficientes de transferencia de masa para todas las especies •
Volumen ocupado por las burbujas de gas. •
Propiedades físico-químicas del medio liquido Sistemas de control: •
El flujo de gas que es introducido a la columna es medido a través de un rotámetro. El gas es inyectado por un inyector de gas que tiene varias formas alternativas tales como la forma de anillo, plato perforado o el brazo inyector. •
Un calentador eléctrico puede ser instalado para mantener constante la temperatura en la columna. •
El sistema de medición de presión debe contener manómetros, que son usados para medir el volumen ocupado por las burbujas de gas en la columna. •
Sensores de flujo de calor pueden ser instalados para estimar el flujo de calor y para medir los correspondientes coeficientes de transferencia de calor entre el calentamiento por inmersión o de mezcla. •
Para un mejor control y ajuste, estos equipos están acompañados por controladores PDI que corrigen el error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que puede ajustar al proceso acorde. •
Además de sistemas de adquisición de información para obtener parámetros de investigación instantáneos, fluctuaciones de presión y propiedades de la burbuja.
Dinámica de Fluido y Análisis de Régimen de Fluidez. Existen 3 tipos de regímenes de fluidez: El régimen Homogéneo que es obtenido mediante bajas velocidades superficiales del gas, aproximadamente debajo de 5cm/s. Este régimen es caracterizado por burbujas uniformes de un tamaño relativamente pequeño y subida de velocidades. Una distribución uniforme de las burbujas en la columna y un mezclado relativamente amable es observado sobre toda el área cuadriculada de la columna. No hay prácticamente fusión entre las burbujas. El tamaño de las
burbujas en este régimen es casi totalmente controlado por el diseño del inyector de gas y las propiedades del sistema. En el régimen Heterogéneo, es mantenido mediante altas velocidades superficiales del gas, por arriba de 5cm/s. Este régimen es caracterizado por la forma desequilibrada del sistema homogéneo liquido-gas para promover el movimiento turbulento de las burbujas y la recirculación liquida. Así resultan inestables patrones de flujo y grandes burbujas de poca duración son formadas tras inyectar grandes cantidades de gas. A través de la fusión y desintegración de las burbujas más grandes, se distribuyen burbujas con un tamaño considerable en la columna. Es frecuentemente
observado a escala industrial con columnas de una radio diámetro muy grande. Y el Régimen de flujo “slug” que es solamente observado en columnas de laboratorio con un diámetro pequeño y elevados flujos de gas. Este régimen toma su nombre debido a la formación de burbujas que se mueven de manera más lenta cuando burbujas de mayor tamaño se estabilizan en la pared de la columna.
El efecto del tamaño de la columna en el “Gas Holdup” es despreciable cuando la columna cuando el diámetro es mayor de 10-15 cm y la altura por arriba de 1-3m •
-A bajas velocidades del gas el “Gas Holdup” dependen del número y diámetro de los orificios del inyector de gas
Al carecer de partes móviles tanto la construcción, operación y mantenimiento de este tipo de biorreactores son más económicos que cualquier otro tipo. El mayor costo de operación sería el de la compresión del aire, debido a los altos flujos requeridos. Generalmente se emplean para fermentaciones de baja viscosidad. El método de esterilización varia en cuanto al tamaño y al uso, ya que cuando se encuentran en plantas de tratamiento de agua es poco practica realizar la esterilización debido a la constante exposición a agentes contaminantes y cuando se encuentran en laboratorio de un tamaño menor es posible realizar la esterilización común con un autoclave del tamaño del biorreactor. Dispositivo de toma de muestra y de inoculación: Para esto se ha desarrollado un Biorreactor de Columna Estéril en el año , obviamente se tomo como diseño el Biorreactor de Columna y trabaja con un
volumen de un litro, cuenta con un muestrador de humedad relativa y un sistema de calefacción en la cabeza de la columna. Dichas modificaciones permiten una mejor regulación del contenido de agua durante el proceso. Es posible la toma de muestra de la columna de forma aséptica abriendo la tapa superior, la cual dispone de un dispositivo de flama que impide cualquier contaminación. De esta manera los investigadores del Instituto Nacional de Investigación Agronómica en Francia obtienen su muestra e inoculan, ya que se presentan dificultades al tratar de realizar estos procedimientos en Biorreactores de Columna comunes.
http://www.scribd.com/doc/36008567/Practica1CBiorreactores
http://books.google.com.co/books? id=pPHhYoWltK8C&pg=PA75&dq=biorreactores&hl=es&ei=VzDfTNTLsX_lgeevcC5Aw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=2&ved=0CCwQ6 AEwAQ#v=onepage&q&f=false
