c 7 esterilizacion enfriamiento

Transferencia de Energa

Calor de fermentacin y balance de energa

Calor de fermentacinEl metabolismo celular es una reaccin global exotrmica Si se desea trabajar a una temperatura constante se debe REMOVER el calor de la fermentacin.

Cmo calcular el Calor de fermentacin?El calor de fermentacin, QF, se puede calcular en base a balances de energa en los cuales se consideran:La oxidacin de sustratoFormacin de biomasaAlgunas formas simples de estimacin son:

Fermentaciones anaerobiasSe considera que la fraccin de sustrato que se convierte a clulas es muy pequea QF [Kcal/ l h] = QR [Kcal/ l h] QR: Calor de reaccin de la secuencia metablica principal. Este calor se calcula por los mtodos termodinmicos clsicos, basados en calores de combustin y formacin.Fermentaciones aerobiasEs indispensable considerar la formacin de biomasa.Una forma simplificada es la propuesta por Cooney et al. (1968):QF [Kcal/ l h] = 0.12 * NO2 [milimoles/ l h] NO2: Demanda de oxgeno

Balance de energa en todo el fermentador, que desprecia la acumulacin. Se supone que los calores de las corrientes de entrada y salida y son despreciables. QF + QA = QP + QI QA: Calor de Agitacin.QP: Prdidas de calorQI: Calor transferido por el sistema de enfriamiento. Este trmico ser significativo en clulas que crezcan a altas tasas.Adems, QF (8-15 [Kcal/ l h] ) >> QA (0.8-2.5 [Kcal/ l h] )

Sistemas de enfriamiento

EquipoUsos y limitacionesChaquetaSe utiliza en equipos de tamao piloto.Alto costo y rea de transferencia limitadaSerpentnBajo costo y gran rea de transferencia (pero en algunos casos no alcanza a ser suficiente)Lluvia ExternaBarato y eficaz, se usa en conjunto con los serpentines.Intercambiador externoSi el serpentn no es suficiente.Aumento los costos y peligro de contaminacin e insuficiencia de aireacin.

Diseo de equipos de enfriamientoEl diseo de equipo de enfriamiento se basan en la ecuacin: QF + QA = QP + QI AsumiendoQF: Se calcula segn la fermentacin (aerbica o anaerbica).QA = 0.1 * QF , o se puede despreciar.QP: Se puede estimar como las prdidas de calor por las paredes de un cuerpo cilndrico, suponiendo que tanto la temperatura interna como externa son constantes. LuegoQP = h*p*DT*HL* (Tf Ta)h: Coeficiente de conveccin [ 10 25 Kcal/h m2]DT: Diametro del tanque.HL: Altura del lquidoTF: T fermentadorTa: T ambiente.

Diseo de equipos (cont..)Luego QI = QF + QA QP = 1.1*QF - h*p*DT*HL* (Tf Ta)

En el caso de serpentines, se requiere de un serpentn que utilice generalmente agua como refrigerante. Dicha agua se calienta entre T1 y T2. La ecuacin de diseo es:QI = U*As* DTU: Coef. Global de transferencia de calor [400-800 Kcal/h m2 C]AS: Area de transferencia de calor del serpentn.DT : Temperatura media logartmica entre (Tf T1) y (Tf T2)

Diseo de equipos (cont..)

En fermentadores industriales la remocin de calor puede resultar costosa.En fermentadores pequeos, el enfriamiento no es problema, algunas veces hay que adicionar calor para mantener las condiciones isotrmicas, debido a que las prdidas se hacen ms significativas.

Esterilizacin

Fermentacin

EsterilizacinConceptos bsicosLas fermentaciones se deben llevar a cabo con cultivos puros, dado que la presencia de otros microorganismos puede producir competencia por los nutrientes y/o produccin de compuestos que inhiban la produccin de productos de inters, por ello se necesita que al inicio de la fermentacin el sistema se encuentre libre de m.o. Existen procesos que necesitan que los efluentes se encuentren libre de m.o., es el caso de las etapas finales de los procesos de tratamientos de agua servidas o RILes.

Para mantener las condiciones de asepsia se pueden aplicar procesos de:Esterilizacin: Erradicacin, remocin, destruccin o inactivacin de todo tipo de vida, de tal manera que las clulas remanentes no puedan reproducirse, es decir, una eliminacin de la capacidad de reproduccin.Desinfeccin: Remocin, destruccin o inactivacin de esas clulas que podran causar deterioro en el medio (no todas las clulas).Pasteurizacin: Remocin, destruccin o inactivacin de todo los patgenos viables naturales por medio de tratamiento trmico tanto para slidos como lquidos.

Elementos que se deben esterilizarFermentadorEquipos accesorios ManguerasElectrodosAgitadoresFiltrosMedio de cultivoAire que circula por el fermentador EntradaSalida

Mtodos de esterilizacin

ESTERILIZACIN DE MEDIOS LQUIDOS

Cintica de muerte de los microorganismos

La cintica de inactivacin de los m.o es una cintica de primer orden respecta al nmero de m.o.Se expresa como:dN/dt = - kd N(1)Donde:N: Nmero de m.o en el tiempo tkd : Constante de decaimiento o muerte, es funcin de la temperatura, concentracin de agentes nocivos (cloro, ozono) Su dependencia con la temperatura es del tipo Arrhenius:.

Grfico1

0.9502786705

0.5706381403

0.3426656803

0.2057692261

0.1235635105

0.0741993418

0.0445563767

0.0267559072

0.016066804

0.0096480448

0.0057936082

0.0034790361

0.0020891458

Esporas general

Tiempo

Numero m.o.

Cintica de Inactivacin

temperatura

0.00510.01530.051

Esporas BacillusBacillusEsporas

10.99491298290.98481645030.9502786705

110.94544458670.84510026660.5706381403

210.89843582490.72520565670.3426656803

310.85376440130.62232052840.2057692261

410.81131410020.53403174190.1235635105

510.77097448450.45826851010.0741993418

610.73264060810.39325382910.0445563767

710.69621274310.3374627990.0267559072

810.66159611990.28958685780.016066804

910.62870068130.24850308970.0096480448

1010.59744084750.21324788730.0057936082

1110.56773529430.18299435020.0034790361

1210.53950674070.15703289080.0020891458

temperatura

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

T1

T2

T3

Tiempo

Numero m.o.

Efecto de la Temperatura T3>T2 > T1

Especies

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Esporas general

Tiempo

Numero m.o.


Hoja3

0.00510.570.0166666667


10.99491298290.56552543870.9834714538

110.94544458670.00189222860.8324906126

210.89843582490.00000633130.7046880897

310.85376440130.00000002120.5965055897

410.81131410020.00000000010.5049310805

510.770974484500.4274149319

610.732640608100.3617989288

710.696212743100.3062561813

810.661596119900.2592402606

910.628700681300.219442143

1010.597440847500.1857537637

1110.567735294300.1572371663

1210.539506740700.1330983878

Hoja3

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

Esporas Bacillus

Bacillus

Esporas

Tiempo

Numero m.o.

0.9502786705

0.5706381403

0.3426656803

0.2057692261

0.1235635105

0.0741993418

0.0445563767

0.0267559072

0.016066804

0.0096480448

0.0057936082

0.0034790361

0.0020891458

Esporas general

Tiempo

Numero m.o.


0.9502786705

0.5706381403

0.3426656803

0.2057692261

0.1235635105

0.0741993418

0.0445563767

0.0267559072

0.016066804

0.0096480448

0.0057936082

0.0034790361

0.0020891458

Esporas general

Profundidad del filtro , L

Log N

Si se integra la expresin (1) se tiene:

Parmetros de las cinticas de desactivacin de diferentes m.o.

Microorganismo TC Constante decaimientokdsec-1 Energa de activacinDEdkcal/mol Esporas de B.subtilis 1210.005174B.stearothermophilus 1041310.5725068.7C.Botulinum 104782.1E.coli 127Esporas en general 1210.0167

Comparacin de cinticas de decaimiento de diferentes m.o Ms resistentes

Grfico2

0.99491298290.56552543870.9834714538

0.94544458670.00189222860.8324906126

0.89843582490.00000633130.7046880897

0.85376440130.00000002120.5965055897

0.81131410020.00000000010.5049310805

0.770974484500.4274149319

0.732640608100.3617989288

0.696212743100.3062561813

0.661596119900.2592402606

0.628700681300.219442143

0.597440847500.1857537637

0.567735294300.1572371663

0.539506740700.1330983878

Esporas Bacillus

Bacillus

Esporas

Tiempo

Numero m.o.

temperatura

0.00510.01530.051


10.99491298290.98481645030.9502786705

110.94544458670.84510026660.5706381403

210.89843582490.72520565670.3426656803

310.85376440130.62232052840.2057692261

410.81131410020.53403174190.1235635105

510.77097448450.45826851010.0741993418

610.73264060810.39325382910.0445563767

710.69621274310.3374627990.0267559072

810.66159611990.28958685780.016066804

910.62870068130.24850308970.0096480448

1010.59744084750.21324788730.0057936082

1110.56773529430.18299435020.0034790361

1210.53950674070.15703289080.0020891458

temperatura

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

T1

T2

T3

Tiempo

Numero m.o.

Efecto de la Temperatura T3>T2 > T1

Especies

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Esporas general

Tiempo

Numero m.o.


Hoja3

0.00510.570.0166666667


10.99491298290.56552543870.9834714538

110.94544458670.00189222860.8324906126

210.89843582490.00000633130.7046880897

310.85376440130.00000002120.5965055897

410.81131410020.00000000010.5049310805

510.770974484500.4274149319

610.732640608100.3617989288

710.696212743100.3062561813

810.661596119900.2592402606

910.628700681300.219442143

1010.597440847500.1857537637

1110.567735294300.1572371663

1210.539506740700.1330983878

Hoja3

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

000

Esporas Bacillus

Bacillus

Esporas

Tiempo

Numero m.o.

0.9502786705

0.5706381403

0.3426656803

0.2057692261

0.1235635105

0.0741993418

0.0445563767

0.0267559072

0.016066804

0.0096480448

0.0057936082

0.0034790361

0.0020891458

Esporas general

Tiempo

Numero m.o.


0.9502786705

0.5706381403

0.3426656803

0.2057692261

0.1235635105

0.0741993418

0.0445563767

0.0267559072

0.016066804

0.0096480448

0.0057936082

0.0034790361

0.0020891458

Esporas general

Profundidad del filtro , L

Log N

Diseo de procesos de esterilizacin Se define el factor DEL, , como:Total = Ln (No/ Nt)Donde No nmero de microorganismos iniciales Nt nmero de microorganismos finales.Considerando la ecuacin

Se tiene que

Los criterios de diseo son:Si no se conoce kd, destruir las esporas.Imposibilidad de esterilidad absoluta, se espera que sobreviva a lo ms 10-3 esporas, ie,1 de 1000 fermentaciones se contamine (Nt = 10-3 esporas). Puede usarse otro criterio.Si la esterilidad inicial es desconocida, se asume una concentracin, [No], del orden de 103 esporas/ml

Procesos de esterilizacin El proceso de esterilizacin comprende tres etapas:

a) Etapa de calentamientob) Etapa de mantencinc) Etapa de enfriamientoPor lo tanto el factor DEL puede dividirse en estas tres etapas:

Puede ser llevado a cabo en:Forma BatchContinua TOTALkd

Esterilizacin BatchLas etapas de calentamiento y/o enfriamiento pueden ser:Para Calentamientoa)Vapor Directo (Modelo hiperblico)b)Resistencia Elctrica (Modelo Lineal)c)Camisa de calefaccin con fuente isotrmico (Modelo Exponencial)VaporCamisa de VaporResistencia Elctrica

Esterilizacin Batch

Para Enfriamientod) Camisa de enfriamiento alimentada con fuente no-isotrmica y recirculacin. Camisa de Enfriamiento

Los factores DEL

Calentamiento o enfriamiento

donde la temperatura es una funcin del tiempo, ie. T = f(t)Dependen del tipo de calentamiento o enfriamiento utilizado.

Mantencinmantencin = kd mantencin * Dt

Perfiles de temperatura

Calentamientoa) Con vapor directo (Modelo hiperblico)T = To + (H * ms* t)/ (c* (M+ms*t)

To: temperatura absoluta inicial del medio [K]c: calor especfico del medio [J/Kg K]H: Entalpa del vapor relativa a la temperatura del medioH =HPresin saturacin H Tmedio [J/Kg]ms : Flujo msico de vapor [kg/s]M: Masa inicial de medio a esterilizar [kg]msM


Calentamientob) Con flujo de calor constante, resistencia elctrica (Modelo Lineal)T = To + q* t/(c* M)

To: temperatura absoluta inicial del medio [K] q: velocidad de transferencia de calor [J/s]c: calor especfico del medio [J/Kg K]M: Masa inicial de medio a esterilizar [kg]


Calentamientoc) Camisa de calefaccin con fuente isotrmico (Modelo exponencial) T = TH + ( To TH)* e (-U*A*t/c*M)TH: Temperatura absoluta de la fuente de calor [K]To: temperatura absoluta inicial del medio [K]c: calor especfico del medio [J/Kg K]M: Masa inicial de medio a esterilizar [kg]U: Coeficiente de transferencia global [J/s m2 K] A: Area de transferencia [m2]


Enfriamientod) Camisa con fuente no isotrmica y recirculacin (Modelo exponencial) T = Tco + ( To Tco)* exp [(1- e(-U*A/c*mc) ) mc *t /M]

TCO: Temperatura absoluta de la fuente enfriadoraTo: temperatura absoluta inicial del medio [K]mc: Flujo msico del refrigerante [kg/s]c: calor especfico del medio [J/Kg K]M: Masa inicial de medio a esterilizar [kg]U: Coeficiente de transferencia global [J/s m2 K] A: Area de transferencia [m2]

Algoritmo para el diseo del proceso de esterilizacin batch.El objetivo es determinar el tiempo que debe durar la etapa de mantencin, dado el tiempo de las etapas de calentamiento y enfriamiento dependen del proceso de transferencia utilizado.

a) Calcular Total = ln (No/Nt)b) Determinar perfiles de T v/s tiempo de duracin de las etapasc) Graficar kd v/s t, dependiendo del proceso de calentamiento y enfriamiento.d)Integrar el rea de kd v/s tiempo para las etapas de calentamiento y enfriamiento. Integracin grfica, algebraica o numrica.

EjemploUn fermentador contiene 40 m3 (25C). Dicho fermentador ser esterilizado por inyeccin directa de vapor saturado. El medio contiene 5 *1012 [bacterias/m3] y necesita ser reducido a los niveles estndar (1* 10-3 bacterias )El vapor (345 KPa) puede ser inyectado a un flujo de 5000 [kg/hr] y se detendr cuando el sistema alcance 122C.Durante la mantencin la prdida de calor ser despreciable.Una vez producida la esterilizacin se pasarn 100 [m3/hr] a 20C de agua para enfriar hasta 30C. El serpentn tiene un rea de 40[m2] y un coeficiente de transferencia de calor para el enfriamiento de 2500 [kJ/hr m2 K]La resistencia de las esporas se puede caracterizar por :kd = 5.7 1039 e ( -2.834 105/ RT) [hr-1]La capacidad calrica del medio y la densidad son : 4.187kJ/kg K y 1000 kg/m3La entalpa del vapor saturado a 345K , HPresin saturacin = 2731 KJ/KgLa entalpa a 25C, Htemp medio = 105 KJ/KgEstime el tiempo necesario para realizar una esterilizacin adecuada.

Calculo de Total total = ln (No/N) =

Perfiles de calentamiento y EnfriamientoTCalentamiento = 298+ 78.4* t /(1+.0125*t)Si Tfinal = 122C = 395K t = 1.46 [h]calentamiento = 14.8 [-]

TEnfriamiento = 39.8 - 102* e(-0.674*t)Si Tfinal = 30C = 303 K t = 3.45 [h]enfriamiento = 13.9 [-]

Diseo de sistemas de esterilizacin continua

Los equipos de esterilizacin continua pueden ser de dos tipos:

Inyeccin directa de vapor. Resultan ser ms eficientes dado que no hay barreras entre el medio y el vapor.

Diseo de sistemas de esterilizacin continua

Intercambiadores de calor. PlacaLos que deben trabajar a bajas presiones, pero presentan una mayor rea de transferencia de calor

Tubo y carcaza Se recomiendan cuando se utilizan lquidos viscosos

Ventajas que presenta la forma de operacin continua v/s la batch Presentan mayor reproducibilidadOperan en forma ms rpidaPueden operar a temperaturas ms altasSon fciles de automatizarSe puede recuperar el calor

Diseo para sistemas de esterilizacin continua

Resultan ser anloga a la forma batch salvo que se debe disear el largo de la zona de esterilizacin, L en vez del tiempo de esterilizacin.El tiempo de retencin de una partcula en el esterilizador, tmantencin, se puede determinar considerando el largo del esterilizador, L y la velocidad promedio a la que se mueven las partculas, . Asi:tmantencin = L/

El algoritmo de resolucin debe considerar que en este tipo de proceso de esterilizacin los tiempos de calentamiento y enfriamiento son despreciables (calentamiento continuo = enfriamiento continuo = 0)por lo cual se cumple que:mantencin continuo = ln (No/Nt) = kdo e (-DEd/RT) *tmantencin El tiempo de mantencin es:

tmantencin = ln (No/Nt)/( kdo e (-DEd/RT) )

El largo del esterilizador se puede calcular por:L = tmantencin *

Ejemplo

Se requiere disear el sistema de esterilizacin para esterilizar un flujo de 2 m3/hr. La esterilizacin del medio debe realizarse en forma continua durante 5 semanas. Los niveles de esterilidad deben ser tales que la probabilidad de contaminacin sea de 1 en 100.Se utilizar un esterilizador continuo tubular de 10 cm de dimetro para calentar el medio a 125C. Calcule el largo requerido del esterilizador.Nota:La cintica de muerte est dado por la expresin:kd = 5.7 1039 exp ( -2.834 105/ RT) [hr-1]La constante ideal de los gases R, es igual a 8.3144 J/K molLa densidad y viscosidad del medio son: 1000 kg/m3 y 3.6 kg/m h respectivamenteEl diseo debe considerar el total de m.o que pudieran ingresar al fermentador, durante todo el tiempo de la fermentacin.

Efecto de dispersin

Existe una desviacin del frente de avance del fluido por efectos de la viscosidad, las turbulencias y la friccin con las paredes de la tubera. Esto provoca que se genere un frente de velocidades en el interior de la tubera, lo que conlleva a una esterilizacin desigual llegando a casos extremos en que haya una parte del fluido que no se esterilice.

Si se considera un modelo dispersin, en la direccin x, para evaluar esta situacin se tiene :

(A)

Donde D: Coeficiente de difusividad: Velocidad promedio del fluido

Si se adimensionalizan las variables de la ecuacin anterior:N = N/Nox`= x/L = F/A = Flujo volumtrico / rea Transversal

Si se definen los nmeros adimensionalesNmero de PeclerPe = * L /DZ = Transferencia de masa convectiva Transferencia de masa difusivadonde

L: Largo del esterilizadorDz: Difusividad en el sistema, se puede utilizar correlaciones o con la siguiente grfica en funcin del Nmero de Reynold Modificado,

NRe Modificado = dt * *r/m

Correlacin para estimar la Difusividad de un sistema, en funcin del Nmero de Reynold Modificado NRe Modificado = dt * *r/mDz/(dt *)

Nmero de DahmkolerDa = kd*L/ = Velocidad de reaccin (muerte)Transferencia de Masa

Sustituyendo en la ecuacin (A) y resolviendo se llega a:

(B)

Donde

Grficamente la ecuacin (B) queda de la forma:Figura BDa = kd*L/ Pe = * L /DZ

Algoritmo para determinar el largo, L, de un sistema de esterilizacin continuo1.- Calcular el Nmero de Reynold Modificado (NRe Modificado)NRe Modificado = dt * *r/mdonde dt: Dimetro de la tuberar, m y : Densidad, viscosidad y velocidad media del fluido2.- Es base al Nmero de Reynold Modificado determinar la difusividad (Dz) en el sistema (usar correlaciones o Figura A)

3.-Asumir un largo, L, de esterilizacin y calcular el Nmero de Pecler y Nmero de Dahmkoler4.- En base a la figura B determinar N/No. Grafica de la ecuacin (B)5.- Si cumple con el nivel deseado OK, sino volver al paso 3.

Esterilizacin de aireEn fermentadores se necesita suministrar aire a velocidades del orden de 0.5 vvm (volumenes de aire por volumen de fermentador por minuto). Utilizar calentamiento resulta impracticable.La concentracin standard de m.o en el aire es del orden de 103 a 104 m.o/m3. Los mtodos ms utilizados para realizar una esterilizacin del aire son:Filtros profundosFiltros de membrana (absolutos)

Esterilizacin de aire

Filtros profundosSon filtros que se encuentran rellenos de vibra de vidrio que presenta la ventaja de:

No se comprimen mucho No retienen humedad No es combustible.El principio de estos filtros es que se produzca un contacto entre los m.o. y la fibra, este contacto puede ser de diferentes tipos:1.- Intercepcin directa2.- Impacto por inercia3.- Flujo turbulento del aire4.- Movimientos Browniano (Difusin)5.- Atraccin electrosttica

Decaimiento del nmero de m.oEl decaimiento del nmero de m.o depender de la profundidad del lecho, resultando una variacin de primer orden.As

No, NL: Nmero de m.o a la entrada y salida, respectivamente.Generalmente se utilizan filtros de 1 a 2 metros.

Eficiencia

Se define la eficiencia de un filtro, h , en base al largo necesario para alcanzar el x% de remocin de m.o. Generalmente se tabular para 90% de remocin. As:L= (No NL )/No

L= 1 NL /No

hL= 1- exp (-k*L)

Si se desea una eficiencia del 90% se reporta L90%

Filtros de membrana (absolutos)Son membranas que tienen un determinado tamao de poros, pero resulta prcticamente imposible construir un filtro para aire donde el tamao de poros este controlado.

Generalmente oscilan entre 0.5-1.0 mm y 0.22-0.45 mm. Generalmente son de Polivinilalcohol (PVA)Las ventajas son: Una pequea cada de presin produce una gran eficienciaDesventajas Resultan frgiles y de corta vidaLas fuentes de aire deben estar libres de aceite.

Esterilizacin Qumica

Esterilizacin QumicaNo se utiliza ampliamente dado que la mayora de los desinfectantes tienen baja accin. Adicionalmente pueden interferir en el crecimiento de los m.o. Se buscan agente que: Acten en forma rpida No sean caros No sean inflamables No sean explosivos No sean txicosLos ms utilizados son:b-propiolactonaOxido de etileno (en medio frio)Fenol o compuestos fenlicos (Crestol, ortofenil fenol)Alcoholes: Etanol, MetanolHalgenos: Hipoclorito, Cloroaminas.

c 7 esterilizacion enfriamiento

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