Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología Laboratorio de Ingeniería de Reactores y Biorreactores
Práctica
Determinación de la VTO (velocidad de transferencia de oxígeno) Equipo 3 GARCÍA ESTRELLA HÉCTOR • GUEVARA ESCAMILLA OMAR • MOCTEZUMA CRUZ CARMEN ELENA • MORALES GARCÍA EDGAR • OVANDO AGUILAR CLAUDIA INÉS
Profesores Leobardo Ordaz Contreras Sergio García Salas
1. INTRODUCCION El oxígeno usado por las células en suspensión debe estar disponible como el oxígeno disuelto. Dado que la solubilidad del oxígeno es bastante pequeña, alrededor de 6 a 7 mg / L en condiciones normales de cultivo, se deben desarrollar técnicas para incrementar esa transferencia Los biorreactores aireados son dispositivos generados para la transferencia de masa y la reacción química gas – líquido, en los cuales uno o varios gases son puestos en contacto para reaccionar con una fase líquida o con un componente disuelto o suspendido en ésta (Montoya-Guzmán et al 2003) Los procesos Aerobios utilizan el O2 como aceptor final de electrones. Según Castillo- Rodríguez F. et al. (2005) El suministro de O2 se puede efectuar de la siguiente manera (Figura X)
Turbina Aireación difusora. difusa. sistemas Elpor oxigeno combinados se suministra de aireación haciendo pa Aireación Superficial. Es Son originado una turbina situada en lamecán parte
Figura 1. Mecanismos de Aireación en diferentes reactores
Según Guevara Lopez E (2004) El oxigeno juega un papel fundamental en el metabolismo aerobio productor de energía como receptor final de electrones y de los protones producidos en las reacciones de oxidación. LA transferencia de oxigeno es un proceso por el cual es transportado de una fase a otra, generalmente de una gaseosa a una liquida.
1. 2. 3. 4.
Difusión desde el seno o núcleo del gas a la interfase gas – líquido. Movimiento a través de la interface gas – líquido. Difusión del soluto a través de la región estancada adyacente a la burbuja. Transporte del soluto a través del seno del fluido líquido.
5. 6. 7.
8.
Movimiento a través de la segunda región estancada asociada con la célula Transporte difusivo hacia el interior de la célula Si las células están en un flóculo, agregado o partícula sólida, difusión a través del sólido hasta cada célula individual. Transporte a través del citoplasma hasta el lugar de reacción.
Figura 2 Transferencia de oxigeno de una fase gaseosa hasta un microorganismos las resistencias que atraviesa
El coeficiente de transferencia de oxígeno (kLa) es un parámetro importante que permite determinar la capacidad de transferencia de oxígeno de un biorreactor. Varios métodos han sido desarrollados para medir kLa en fermentadores aeróbicos, cada uno de ellos tiene sus ventajas y desventajas. Existen métodos que permiten determinar kLa sin que sea necesaria la presencia de microorganismos, pero tienen la desventaja de que no consideran las alteraciones que causa el crecimiento microbiano.
VTO=kLa(C∗−C) Donde:
kLa :coeficiente volum é trico de transferencia de ox í geno(h−1) C∗:concentraci ó n de ox í geno disuelto en equilibrio con la fase gaseosa( g/ L)
C :concentraci ó n de ox í geno disuelto
( gL )
En la literatura de han reportado diversas técnicas o métodos para determinar el parámetro kLa, a continuación se mencionan algunos:
Método del sulfito: El método del sulfito (Método Cooper) se basa en la reacción entre el sulfito de sodio con el O2 en medio ligeramente alcalino y en presencia de iones Cu+2 o Co+2. El mismo, tal cual fue desarrollado, posee una simplicidad que lo hace muy útil pero, por otro lado, tienen el inconveniente de que como la reacción es muy rápida, el gradiente alrededor de la burbuja se ve alterado y los resultados que se obtienen son sobre-dimensionados (Bioprocesos, 2005).
Método dinámico: En este método el flujo de aire al biorreactor se interrumpe (Ft=0), y el oxígeno disponible en el medio de cultivo es consumido por las células hasta llegar a un valor de concentración de oxígeno disuelto muy cercano al valor crítico, en este momento se restablece el flujo (Ft=cnte) de aire y la concentración de oxígeno disuelto se incrementa (Peña, 2008).
Figura 3. Representación gráfica del método dinámico para la determinación de la VTO.
2. OBJETIVOS Determinar la velocidad de transferencia de oxígeno (VTO), el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (kLa) y la fracción de gas retenido global (ε) en diferentes tipos de biorreactores.
3.
DIAGRAMA DE BLOQUES Método de sulfito
Agregar al biorreactor la solución de Sulfito de Sodio 0.4 M
Tomar muestra de 1 mL-> Matraz Erlenmeyer 250 mL con 10 mL de solución de Yodo 0.1 N (Tiempo cero)
Dependiendo capacidad de Transferencia de Oxigeno del biorreactor -> Tomar muestras cada X tiempo
Adicionar la solución de Sulfato de Cobre
Esperar que biorreactor alcance operación estable
Tomar 5 muestras -> Detener aireación y/o agitación del biorreactor
Ajustar a un pH de 7.2 con HCl concentrado
Poner a funcionar el biorreactor de acuerdo a las condicones de operación
Titular el exceso de Yodo de los matraces donde se depositaron las muestras con solución de Tiosulfato de sodio
Método dinámico
Calibrar e instalar el electrodo de oxígeno disuelto
Llenar el biorreactor con agua hasta el volumen de operación
Poner a funcionar el biorreactor y esperar a que alcance operación estable
Suministrar Oxígeno a un flujo correspondiente a una condición de operación
Cuando C sea baja (0-10% de saturación), suspender suministro de nitrógeno
Suministrar Nitrógeno para que la C disminuya
Registrar el % de saturación de oxígeno cada 15 s
Finalizar cuando % d saturación de oxígeno sea alto (90-100%)
4. MATERIALES Y METODOS BIORREACTORES Biorreactor de tanque agitado. Biorreactor de columna de burbujeo. Biorreactor airlift. Electrodo y medidor de oxígeno disuelto.
SISTEMA DE CONTROL Sulfito de sodio Sulfato de cobre pentahidratado Solución de Yodo 0.1 N. Solución de Tiosulfato de sodio 0.1 N. Solución de almidón soluble al 1%.}
Se efectuaron dos técnicas para la determinación de la velocidad de transferencia de Oxigeno (VTO) y el coeficiente de transferencia Kla. EL método dinámico que se basa en la medición del oxigeno disuelto en el reactor bajo ciertas condiciones de operación cuyo inicio de operación es al cero por ciento de oxigeno, lográndose con el desplazamiento de oxigeno con nitrógeno el proceso se para hasta lograr el mayor porcentaje de saturación de oxigeno. El método del tiosulfito se basa en la titulación del ión sulfito que no reacciono con el oxigeno y el yodo mediante Tiosulfato de sodio
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En el biorreactor, la transferencia de oxígeno está afectada por diferentes factores que intervienen sobre la hidrodinámica de éste, como: los parámetros geométricos del biorreactor, las condiciones de operación a las que se desarrolla el proceso (Deckwer y Schumpe, 1993), el diámetro de burbuja, de temperatura, pH, intensidad iónica, presión de gas y su solubilidad asi como de agregados celulares (Montoya-Guzmán et al 2003) la viscosidad, la tensión superficial, la concentración de oxígeno en la corriente de gas, la morfología del microorganismo (Andrea Soler, 2010) 5.1. MÉTODO DINÁMICO REACTORES COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE MASA (KLA) La medición de la capacidad de transferencia de masa del oxigeno en un biorreactor es de suma importancia, en el caso de un sistema aerobio dicho valor determinará la productividad del sistema; es variable fundamental para el escalado y la economía de los sistemas de biosíntesis aerobia(CarrilloMandujano L, et al, 2014; Gustavo-Buitrago et al, 2013) de igual manera la productividad estará limitada por la solubilidad del oxígeno, la velocidad de difusión en los medios de cultivo, la demanda de oxígeno del cultivo y la capacidad del biorreactor de satisfacer dicha demanda en la población microbiana. (Andrea Soler, 2010) Se Determino los coeficientes de transferencia de masa (oxigeno), Kla, por el método dinámico (Anexo 1) empleando agua como medio en reactores de 7L de tipo airlift, columna de burbujeo y tanque Agitado ( Figura 4a ) Los valores de KLa obtenidos para el rector tipo Airlift fueron del orden de 14 a 34 h -1 observándose una tendencia a un incremento del KLa conforme al incremento del flujo de aireación en el bioreactor. Los valores de KLa Encontrados en la literatura para este tipo de reactores son de 15h -1 (Sánchez-Mirón et al., 2000) y puede alcanzar valores hasta de 76 h -1 (Lopez-Gomez O, 2007).En el caso de biorrectores de columna de burbujeo el KLa encontrado en el presente trabajo fueron en un intervalo de 44 a 47 h-1, Lopez-Gomez y colab (2007) encontraron valores para este tipo de reactores un intervalo de 12 h -1 hasta valores de 140 h-1, estos dependerán de la velocidad superficial de aireación y el modelo matemático utilizado para determinar el KLa
columna de burbujeo a
b
columna de burbujeo
Figura 4 Coeficiente de transferencia de Oxigeno para diferentes reactores a distintas condiciones de operación a) Neumáticos –airlift y columna de burbujeo 7L; b) Reactores Tanque Agitado. Calculados mediante el método dinámico
En el caso de un reactor tipo tanque agitado El KLa estará no solo en función del flujo de aire, sino también de la agitación mecánica en el sistema En los tanques agitados el aire ingresa al biorreactor por debajo del impulsor y al ser golpeado por las paletas se transforma en miles de pequeñas burbujas. El primer efecto que se consigue con la agitación es aumentar el área interfacial gas-líquido facilitando la transferencia del gas desde la fase gaseosa a la líquida así como aumentar el tiempo de retención de burbuja por lo que comúnmente los KLa en un reactor tanque agitado son mayores a los agitados neumáticamente. Los KLa encontrados para este trabajo fueron en un intervalo de 9 a 57h-1 a una agitacion mecanica de 100 rpm y de 20 a 90 h -1 a 300 rpm (Figura 4b) , por lo que un aumento en la velocidad de agitacion y de flujo de aire aumenta el KLa, sin embargo este coeficiente de transferencia de oxigeno puede verse afectado Carrillo-Mandujano L y colab (2014) con el aumento de la agitacion mecanica debido al fenomeno de inundacion del impulsor. Sin embargo en el mismo trabajo se demostro que este fenomeno solo se observa en impulsores de turbina y de paletas inclinadas exceptuando a los impulsores rushton a las condiciones maximas de operación que se efectuaron durante la caracterizacion hidrodinamica (1 vvm y 500rpm). Los valores de KLa reportados por Carrillo-Mandujano L y colab (2014) a 1 vvm a 100 y 300 rpm fueron de 14 y 25 h-1 valores menores a los encontrados en este trabajo a las mismas condiciones de aireacio y agitacion mecanica. En tanques agitados, el KLa es una función principalmente de la potencia aplicada por agitación, de la velocidad superficial del aire introducido La determinación del KLa mediante el método dinámico utilizando únicamente agua como medio no representa el Valor real del coeficiente, debido a que no
se considera el consumo de oxigeno de los microorganismos así mismo en los reactores , de igual forma se favorece la coalescencia fenómeno en el cual permite que burbujas pequeña se junten y formen una burbuja más grande reduciendo así el área interfacial de transferencia, La zona de coalescencia y el tamaño de las burbujas en la zona de equilibrio dependen de la cantidad de gas y las propiedades del medio (Montoya-Guzmán et al 2003). Pese a que los tanque agitados prevén de coeficientes de transferencia de Oxigeno superiores a los agitados neumáticamente estos últimos soy muy empleados debido a que producen un menor estrés mecánico sobre las células generando condiciones adecuadas para su cultivo (García-Salas et al, 2005) FRACCIÓN DE GAS RETENIDO (HOLD UP) La retención del gas(Anexo 3) es en general función de la geometría de la columna, la velocidad del Flujo de gas, el tipo de distribuidor del gas y las propiedades del medio. En la figura 5 se observa que el hold up es directamente proporcional al flujo de aire suministrado al sistema, así mismo los reactores tipo tanque agitado tienen una mayor fracción de gas retenido en comparación a los neumáticos a flujos de aire superiores a 1 vvm debido al fenómeno de retención de burbujas propiciado a la agitación mecánica, aquellos agitados mecánicamente alcanzan fracciones de 0.061 y 0.064 de fracción de gas retenido a 100 y 300 rpm respectivamente Los reactores tipo airlift tienen una menor fracción de gas retenido (0.045) debido a que el sección trasversal por donde circula la dispersión gas-liquido dentro del tubo de arrastre es menor en comparación a los de columna de burbujeo (0.054) que es en todo el reactor, sin embargo a altas velocidades (>1.6 vvm) las burbujas no salen del sistema y se recirculan por las laterales implicando un mayor tiempo de retención de burbujas lo que favorece la transferencia de oxigeno en el sistema
Holdup Ailift 7L
Hold up RTA 100 rpm
Hold up RTA 300rpm
Figura 5. Fracción de gas retenido (Hold up) en reactores neumáticos y Tanques Agitados
Como se describió anteriormente el Coeficiente de transferencia de oxigeno KLa está en función de varios parámetros en los cuales se incluyen a la fracción de gas retenido (Hold up), por lo que a mayor fracción gaseosa en la dispersión gas liquido debido a un aumento en el volumen del gas por el aumento de la velocidad propicia una mayor cantidad de burbujas aumentando gradualmente el área de transferencia, la Figura 6 se muestra como esta relación es directamente proporcional , sin embargo el KLa también está en función del tamaño de la burbuja por lo que los reactores tipo Ailift y columna tienen menores coeficientes debido al fenómeno de coalescencia
Kla Airlift 7L
Kla Columna burb. 7L
Kla RTA 100 rpm
Kla RTA 300 rpm
Figura 6. Comportamiento de los coeficientes de transferencia de oxígeno (kLa) en reactores neumáticos y Tanques Agitados respecto al la fracción de gas retenido.
VELOCIDADES DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO Esta velocidad esta en función al Coeficiente de transferencia KLa y la concentración Critica de Oxigeno (0.0071 gO2/L). Estas velocidades tienen la misma tendencia que el KLa, el valor más alto de VTO obtenida de 0.64 gO 2L-1h1 se alcanzo en el reactor tipo tanque agitado a un flujo de Aire de 1.6 vvm y agitado mecánicamente a 300rpm y el menor valor de VTO de0.07 gO 2L-1h-1en un reactor tanque agitado a 100 rpm y un flujo de aire de 0.3vvm (Ver anexo 2) Tabla 1 Velocidades de transferencia de Oxigeno (VTO) en gramos de oxigeno/litros hora Flujo de Aire
Reactores Neumático
Reactor Tanque Agitado
Airlift
columna
100rpm
300 rpm
0.3
0.1041854
0.3147501
0.0700415
0.1461677
0.6
0.147254
0.2610457
0.1361425
0.2129361
1
ND
0.3530333
ND
ND
1.3
0.224431
0.3530617
0.2851005
0.5497388
1.6
0.246938
0.3384641
0.408534
0.6455391
ND: No determinado
Tal como muestra el comportamiento de los datos reportados en los gráficos anteriores, no existió una relación lineal en lo que respecta al kLa (Figura 7, 8)y el flujo de aireación, ya que si se observa detenidamente, el kLa de no siempre fue aumentado, pues mientras se incrementaban las vvm en puntos más
elevados, el kLa disminuía, esto se puede ejemplificar bien a 0.3 vvm y 0.6 vvm donde se obtuvieron unas kla igual a 172.20 h -1 y de 2841.01 h-1 , mientras que a 1 vvm donde el valor obtenido fue de 2576.50 h -1, este comportamiento se vuelve a repetir cuando al aumentar a 1.3 vvm la kLa es de 5025.64 h-1 (siendo este el máximo coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno) y a 1.6 vvm igual a 3301.44 h-1. Éste comportamiento puede deberse a que cuando el flujo de aire es muy alto, en el reactor las burbujas se ven afectadas de modo tal que éstas son muy grandes y en vez de favorecer la transferencia de oxígeno, ésta se ve empobrecida debido a que las burbujas atraviesan el medio demasiado rápido. En la figura 9 se observa un crecimiento en la fracción de gas retenido esto se debe a que al aumentar la vvm aumenta el flujo de aire y por ende el gas retenido será mayor
Figura 10. Velocidad de transferencia de oxigeno (go2/L*h) en función de la velocidad de aireación (Vvm) en Biorreactor columna de burbujeo de 10 L, medido por método de sulfito
f(x) = 259.76x + 370.88 R² = 0.44
Figura 11. Coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno (kLa) en función de la velocidad de aireación (vvm) en Biorreactor de columna de burbujeo de 10 L, medido por método de sulfito
En las figuras 10 y 11 se observa que el kla y la Vto se observa un comportamiento no regular ya que ambas aumentan a vvm de 0,6 y después bajan a vvm mayores observándose un comportamiento no regular,esto puede deberse a la ineficacia del método ya que el oxigeno al reaccionar tan rápido con el tiosulfito causa errores en el calculo de vto y kla.
Tabla 4. Resultados para la determinación de la VTO, kLa y fracción de gas retenido para un reactor de tanque agitado por el método de sulfito (300 rpm) Vel. Aireacion (vmm) 1.6 1.1 0.6 0.3
kLa (h-1) 314.70734 6 256.07878 2 256.07878 2 217.56588 1 33.694576 6
VTO (mMoles O2/h L) 2.2416 1.824 1.824 1.54968
Fracción de Gas Retenido 0.0806451 6 0.0483871 0.0259740 3 0.0169491 5
Figura 12. Velocidad de 0 0.24 0 transferencia de oxigeno (go2/L*h) en función de la velocidad de aireación (Vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 10 L a 300 rpm, medido por método de sulfito
R² = 0.69 R² = 0.82
Figura 13. Coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno (kLa) en función de la velocidad de aireación (vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 10 L a 300 rpm, medido por método de sulfito
Figura 14. Fracción de gas retenido (Ɛ) vs velocidad de aireación (vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 10 L a 300 rpm, medido por método de sulfito
En las figuras 12 y 13 aunque es el mismo método se observa un comportamiento correcto a aumentar tanto el kla como el vto conforme aumentan las vvm esto tiene que ver igual forma con la inestabilidad del método ya que puede o no haber errores humanos en las distintas mediciones. Tabla 5. Resultados para la determinación de la VTO, kLa y fracción de gas retenido para un biorreactor de tanque agitado con volumen de 0.35 L a 110 rpm, método del sulfito (100rpm)
Velocidad de aireación (vvm) 0.56 1.13 1.69 2.26
VTO (g/hr*L)
KLa (1/hr)
έ
0.01360187 0.00562057 0.00595794 0.000632
2.35925467 0.97489207 1.03340938 0.10962085
0.01 0.03883495 0.04807692 0.05714286
Figura 15. Velocidad de transferencia de oxigeno (go2/L*h) en función de la velocidad de aireación (Vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 0.35 L a 100 rpm, medido por método de sulfito
Figura 16. Coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno (kLa) en función de la velocidad de aireación (vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 0.35 L a 100 rpm, medido por método de sulfito
Figura 17. Fracción de gas retenido (Ɛ) en función de la velocidad de aireación (vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 0.35 L a 100 rpm, medido por método de sulfito
Por otro lado es apreciable en las Figuras 15 y 16 la tendencia de disminución del kLa y la VTO respecto a la velocidad de aireación, con lo que nuevamente es posible apreciarse que el fenómeno de coalescencia disminuye al incrementar el flujo de aire, disminuyendo la transferencia de oxígeno, pero de hecho esto es algo lógico pues sabemos que el kLa está en función inversamente proporcional del diámetro de burbuja, por lo tanto si este aumenta, el kLa disminuirá y así mismo la transferencia de oxígeno. Asi mismo la fracción de gas retenido aumenta al aumentar las vvm como se observa en la figura 17 es un crecimiento directamente proporcional,a mayores vvm mayor será la fracción de gas retendio “Hold Up” Tabla 6. Resultados para la determinación de la VTO, kLa y fracción de gas retenido para un biorreactor de tanque agitado con volumen de 0.35 L por el método de sulfito (300 rpm) Velocidad de aireación (vvm) 0.56 1.13 1.69 2.26
VTO (g/hr*L)
kLa (1/hr)
έ
0.04567771 0.13568914 0.06495771 0.11944914
7.92283171 23.5353774 11.2669613 20.718538
0.03883495 0.04807692 0.05714286 0.06603774
Figura 18. Velocidad de transferencia de oxigeno (go2/L*h) en función de la velocidad de aireación (Vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 0.35 L a 300 rpm, medido por método de sulfito
Figura 19. Coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno (kLa) en función de la velocidad de aireación (vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 0.35 L a 300 rpm, medido por método de sulfito
Figura 20. Fracción de gas retenido (Ɛ) en función de la velocidad de aireación (vvm) en Biorreactor Tanque agitado de 0.35 L a 300 rpm, medido por método de sulfito
Un comportamiento singular se observa en el resultado del coeficiente de transferencia obtenidos para el reactor de columna de 0.35 litros(Figura 18), el alto coeficiente puede deberse a que en el momento de la experimentación, al realizar la titulación, fue utilizado almidón como indicador de vire pero este indicador no fue diluido y esto ocasiono que se requiriera mayor tiosulfato (25 mL), para alcanzar el vire. Las fracciones de gas retenido obtenidas fueron de 0.0063 y 0.0399 (para 0.3 vvm y 1.6 vvm) con lo que se observa (figura 20) que se tienen valores pequeños, con esto se puede deducir que se tendrá un bajo rendimiento microbiano ya que no existirá el suficiente oxigeno para que estos lleven a cabo sus actividades metabólicas, es importante mencionar que tampoco es recomendable tener una alta retención, pues esto hará que el volumen útil del reactor se vea afectado.
6. CONCLUSIONES Los valores de los coeficientes de transferencia de masa se incrementan con el aumento de las velocidades de agitación y de los flujos de aire suministrados en un reactor tanque agitado; en los reactores neumáticos el coeficiente aumenta de forma directamente proporcional conforme al aumento de la velocidad del aire. Los valores de hold up se incrementaron conforme se aumentó el flujo del aire y el consumo potencia del biorreactor.
Los coeficientes de transferencia de oxigeno Kla y La velocidad de transferencia de Oxigeno dependerán del tipo de reactor, las condiciones de operación y la geometría de los mismos. El coeficiente de transferencia de oxígeno se ve afectado por el tamaño de burbuja de modo tal que si éste es muy grande (a flujos muy elevados), la transferencia de oxígeno disminuirá. La determinación por el método del sulfito debe ejecutarse por un equipo de trabajo bien organizado que disminuya la probabilidad de error por el tiempo de reacción entre la toma de muestra y la adición de tiosulfato de sodio. Se observa que debido a la velocidad con la que reacciona el oxigeno el método dinámica es mas exacto y existe menos probabilidad de error por lo cual si se tuviese que elegir entre los 2 metodos para determinar VTO se elegiría el dinamico. En el biorreactor tipo airlift se observa que el Vto es menor que en los demás reactores esto debido a la formación de burbujas que por el gran tamaño que tienen disminuyen el area de transferencia de oxigeno.
7.
BIBLIOGRAFÍA
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8. ANEXOS
Anexo 1. CALCULO DE COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE OXIGENO KLA
El coeficiente de transferencia de masa de oxígeno se determinó con método de la presión dinámica, desplazando el oxígeno disuelto en el medio con nitrógeno. Para ello, se llevaron a cabo pruebas a 4 flujos de Aireación a 0.3,0.6,1.3,1.6 vvm
La transferencia de oxígeno puede explicarse mediante la ecuación
VTO=k L a ( C¿ −C L )
Donde
VTO
es la velocidad de transferencia del oxígeno,
coeficiente volúmetrico de transferencia del mismo, estaría en equilibrio con la presión parcial de según la ley de Henry, y
CL
O2
C¿
kLa
es el
es la concentración que
en el seno de la fase gaseosa
es el valor de la concentración de oxígeno en el
seno del líquido. La diferencia de estos dos últimos términos es la fuerza impulsora de la transferencia. El k L a es una constante de proporcionalidad.
PO =C ¿ H 2
Donde H: 22.55 Latm/gO2 PO2=La presión de Oxigeno en el Aire en la presión atmosférica y la fracción de Oxigeno en el Aire (21%)
PO2=0.77atm (0.21)=0.16 atm Sustituyendo valores C¿ =
0.16 atm gO 2 =0.0071 22.55 Latm /gO 2 L
Datos de % de saturación
en reactores tipo Columna de Burbujeo
a distintas velocidades de Aireacion
OD 0.6 vvm OD 0.3 vvm
%OD, 0.3 vvm
OD 0.6 vvm
OD 1.3 vvm OD 1.6 vvm
OD, g/L
Od 1.6 vvm
Kla 0.3 vvm
Kla 0.6
f(x) = - 14.67x + 0.08 R² = 1 f(x) = - 20.74x - 0.25 R² = 0.94
Kla 0.3 vvm
Linear (Kla 0.3 vvm)
Kla 0.6
Linear (Kla 0.6)
Kla 1.3 vvm f(x) = - 34.78x - 0.07 R² = 0.99
f(x) = - 31.61x + 0.07 R² = 1
Kla 1.3 vvm
Kla 1.6 vvm
Linear (Kla 1.3 vvm)
Kla 1.6 vvm
Linear (Kla 1.6 vvm)
ANEXO 2. VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO (VTO) LA velocidad de transferencia de Oxigeno ecuación
se calculo mediante la siguiente
VTO=k L a ( C¿ −C L ) Donde se considera la Cl se considera como 0 Para el primer punto una Kla de 14.674 h-1 entonces
VTO=14.674
y C*Calculada en 0.0071gO2/L
1 gO 2 ¿ gO 2 0.0071 −0 =0.104 h L Lh
(
)
ANEXO 3. FRACCION DE GAS RETENIDO (HOLD UP)
Se determinó la cantidad de aireatrapado en el agua por medio de la metodología empleada por Karczet al. (2004) y se calculó con la siguiente fórmula: φ=
Vg h = g V g +V L h g + H
Donde
Vg yVL
son los volúmenes del líquido (agua) y del gas en el biorreactor,
H es la altura del líquido en el tanque y
hg
la diferencia del volumen del líquido
con el volumen del líquido con el gas disuelto Hold up para un primer punto : φ=
Vg 0.9 = =0.222 V g +V L 39.6+0.9
VVM
Kla, h
0.3
14.674
VTO, gO2/Lh 0.104185 4
H
hg
Hold up
39.6
0.9
0.022222 22
1 1 1 1 8 1 6 4 2 2 4
Introducción Objetivo Diag. de Bloques Mater./Mét. Resultados Discusión Conclusión Referencias Mem. de Cálculo Calidad Calificación final
si
Portada
0.6 20.74 0.147254 39.6 1.1
1.3 31.61 0.224431 39.6 1.5
1.6 34.78 0.246938 39.6 1.9
Reporte final
0.027027 03 0.036496 35 0.045783 13
