Transferencia de Oxigeno en Biorreactores Agitados y Neumáticos Rafael Moreno Flores Francisco Rafael Chávez Garcia
Tanque agitado Las conversiones microbianas aeróbicas son reacciones de oxidación que requieren de oxigeno molecular disuelto. El oxigeno con respecto a otros nutrientes tiene una solubilidad en agua extremadamente baja.
Esta característica puede llegar a ser una factor limitante en productividad celular y/o de metabolitos. Debido a la influencia del oxigeno disuelto en la actividades metabólicas de la células.
La velocidad de transferencia de oxigeno en un biorreactor agitado depende de las condiciones de agitación y aireación y de las características del caldo de cultivo.
La ecuación de que describe la velocidad de transferencia de oxigeno (VTO) es la siguiente: O
Kla es el parámetro que sirve para conocer la velocidad de transferencia del oxigeno de aire al liquido del biorreactor. En esta practica se combinan dos métodos para determinar la VTO.
Balance de oxigeno del aire considerando la entrada y la salida O
Donde:
En esta práctica para que haya una transferencia neta de oxigeno debe haber consumo del mismo, por lo que como consumidor de oxigeno se emplea sulfito de sodio. En este caso la reacción de oxidación es tan rápida que la concentración de oxigeno disuelto en el liquido es cero.
Cu2+ 2 Na2SO3 + O2 -------------------------2Na2SO4
Columna de burbujeo La velocidad de transferencia de oxigeno es determinada de manera importante por el área superficial de las burbujas de aire, de aquí que el aire se disperse en forma de burbujas pequeñas para proveer una gran área de contacto entre las fases liquida liquid a y gaseosa. Sin embargo, en algunos caldos de fermentación, las burbujas pequeñas tienden a unirse formando burbujas más grandes.
dependiendo de las propiedades físicas del caldo de cultivo y de la intensidad de la turbulencia dentro del biorreactor, las burbujas pueden crecer hasta aproximadamente 6 mm de diámetro después de dejar la zona de dispersión. Este fenómeno conocido como coalescencia de las burbujas, es causado por el hecho de que una película liquida entre dos burbujas de aire adyacentes se hace cada vez más delgada hasta que eventualmente se rompe.
Al ir aumentando la concentración de electrolitos disueltos en dicho liquido, se va inhibiendo la coalescencia de las burbujas. También la presencia de proteínas, alcoholes y substancias surfactantes, afectan el grado de coalescencia de las burbujas.
La coalescencia de las burbujas afectan entonces el diámetro de las burbujas. Este junto con la fracción de gas retenido determinan el área superficial de contacto entre las fases fases liquida y gaseosa, de acuerdo a la siguiente ecuación: a= 6 E/Db((1-E))
Donde: a: área interfacial gas-liquido. E: fracción de gas retenido. Db: diámetro de las burbujas.
Airlift Si el oxigeno molecular no fuera continuamente transferido del aire al caldo de cultivo de microorganismos, el oxigeno disuelto seria consumido en pocos segundos bajo condiciones normales de fermentación, debido a la baja solubilidad del oxigeno en los caldos de cultivo
Un efecto importante de la circulación del líquido es que disminuye la frecuencia de la coalescencia al aumentar la velocidad del líquido. Esto es resultado de que las distancias entre las burbujas de gas son más grandes debido a que las fracciones de gas retenido son menores y a que la distribución de gas es más uniforme
En general, es los biorreactores de columna de burbujas se obtienen fracciones de gas retenido más grandes, mientras que en los biorreactores airlift, la fracción de gas retenido disminuye al aumentar la velocidad de circulación del liquido. La velocidad del líquido representa por lo tanto, un parámetro muy importante para adaptar la fracción de gas retenido y el tiempo de resistencia promedio de las burbujas a los requerimientos de proceso.
En los biorreactores airlift de gran altura, la velocidad de transferencia cambia a lo largo de la ruta de flujo de una manera complicada, debido a que el área interfacial y la diferencia de concentración de oxigeno cambian de un punto a otro debido a la expansión o comprensión, al consumo de oxigeno y a cambios a la presión hidrostática y en la velocidad local de liquido.
Objetivo de la practica. El alumno determinará la velocidad de transferencia de oxigeno, el coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno y la fracción de gas retenido global en diferentes tipos biorreactores.
MATERIA MATERIALES LES Y METODOS METODOS Biorreactores 1.- Biorreactor de tanque agitado 2.- Biorreactor de columna de burbujeo 3.- Biorreactor airlift
Instrumentos 1.- Rotámetros 2.- Analizador de oxigeno en fase gaseosa 3.- Manómetros 4.- Termómetros 5.- Medidor de pH
Reactivos. 1.-Na2SO3 2.- Almidón en solución al 1% 3.- HCL 3N 4.-NaOH 3N 5.- Soluciones reguladoras de pH, de 4 y 9
Métodos •Determinación
de la velocidad de transferencia de oxigeno: mediante el método combinado del balance de oxigeno con el del sulfito. •Determinación del kLa usando la siguiente ecuación: kLa=VTO / C* •C* se calcula con la ecuación de la ley de Henry. •Determinación de la fracción de gas retenido global: meto0do de expansión de gas.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Actividades Previas 1.- Preparar en el biorreactor una solución de Na2SO3 0.6N 2.- Adicionar Cu2SO4 a la solución de sulfito, para tener una concentración concentración final de 0.25 g/L 3.- Ajustar el pH a 7.6 y mantenerlo constante durante la experimentación. Condiciones de operación
Tanque agitado •Las velocidades de agitación serán: 300, 500 y
700 rpm •Para cada velocidad de agitación, se probarán
las siguientes velocidades de aireación:0.3, 0.6, 1.0, 1.3, 1.6 wm.
Columna
•Velocidad de aireación: 0.3, 0.6, 1.0, 1.3, 1.6wm. Airlift
•Velocidad de aireación: 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 y 2.5wm. •Tipos •Tipos de tubos de arrastre :de 2 diámetros diferentes
Medición de la concentración de oxigeno gaseoso. 1.- Una vez establecidas las condiciones de operación, medir la concentración del oxigeno del aire que sale del biorreactor, utilizando el analizador de oxigeno previamente calibrado. Medición de la fracción de gas retenido global.
Tanque agitado y columna 1.-Medir el nivel del liquido sin airear y el nivel del liquido aireado para cada condición de operación.
Airlift 1.- Medir la diferencia de alturas del agua
contenida en los manómetros de presión diferencial de cada zona del biorreactor. 2.- Medir la distancia entre las tomas de presión estática de la zona de flujo ascendente y entre la zona de flujo descendente.
RESULTADOS 1.- Calcular la VTO, kLa y la fracción de gas retenido global, para cada condición de operación. 2.- Calcular C* 3.- Obtener la correlación del kLa con la velocidad de aireación, esta expresada en wm y en m/s 4.- obtener la correlación del kLa con la fracción de gas retenido.
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES La discusión deberá contener al menos la siguiente información: 1.-Comparacion de las diferentes condiciones de operación y fracción de gas retenido con respecto a los valores del kLa. 2.- Comparación de los valores de kLa que obtuvo para cada uno de los biorreactores empleados y explique el por qué de las diferencias.
3.- Cual es el aspecto de la dispersión gas- liquido para cada condición de operación 4.- Explicación de los valores de kLa de los líquidos que promueven la coalescencia y de los líquidos que la inhiben.
