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Octubre 2011

Escalamiento

Unidad IV Ing. de Biorreactores

Rodríguez, S. JC.

Unidad temática: IV

Escalamiento: continuación

Desarrollo Histórico

Puesto que el desarrollo "formal" de los procesos biotecnológicos nació en la época de gran auge de la Ingeniería Química, los equipos, procesos y metodologías que se aplicaron en un principio fueron adaptados de los utilizados en esta industria. Sin embargo, conforme los conocimientos básicos e ingenieriles que gobiernan los procesos biotecnológicos se fueron incrementando y profundizando, nacieron nuevas metodologías para el escalamiento. En la literatura se encuentran multitud de ejemplos en los que describen dichas metodologías, en las que la controversia y los distintos puntos de vista son cosa común.



Métodos de Escalamiento

De acuerdo con Kosen y Oosterhuis*, se mencionan los siguientes métodos de escalamiento:

Método fundamental. Método semifundamental. Análisis dimensional. Prueba y error. Empirismo.

* Kossen, N. W. F. and N. M. G. Oosterhuis. 1985. Modelling and Scaling-up of Bioreactors. In: Biotechnology. Vol 2. Rhem, H. J. and G. Reed, eds., VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim.



Métodos de Escalamiento: Método fundamental.

En el método fundamental deben establecerse los "microbalances" de todos los procesos de transferencia (calor, masa y momento), con la finalidad de obtener las ecuaciones de escalamiento. Sin embargo, el establecimiento de tales microbalances para sistemas industriales reales en los que no prevalecen las condiciones que lo faciliten, es terea prácticamente imposible de realizar (excepción hecha para sistemas con células o enzimas inmovilizadas en reactores tubulares con flujo tapón), se vuelve prácticamente imposible de realizar.



Métodos de Escalamiento: Método semifundamental.

El método semifundamental por su parte, al realizar simplificaciones en las ecuaciones de transferencia, se vuelve más práctico, sin embargo, es importante recalcar que, los procesos de transferencia son muy dependientes de la escala, por lo que si las ecuaciones son obtenidas a escala pequeña, sin tener en consideración lo anterior, el método resulta muy riesgoso.



Métodos de Escalamiento: Análisis dimensional.

El análisis dimensional es, en principio, una técnica con la que se puede obtener información útil aunque parcial, acerca de las relaciones aplicables a las variables que caracterizan a un sistema físico dado. A pesar de su utilidad, presenta serias limitaciones (es imposible conservar todos los grupos dimensionales durante el escalamiento, el mantenimiento de algunos de estos puede estar en contraposición a la economía del proceso global, etc.).



Métodos de Escalamiento: Prueba y error.

Por su parte, el método de prueba y error solo es adecuado para la optimización gradual de procesos, más no para el escalamiento.



Métodos de Escalamiento: Empirismo.

el escalamiento empírico ha mostrado su bondad (métodos basados en la experiencia). Los trabajos pioneros se centraron en obtener relaciones físicas en los tanques de fermentación para dilucidar los efectos que sobre el coeficiente global de transferencia de masa (kLa), la fracción de gas retenido(e), el consumo de potencia por unidad de volumen (P/V), el número de Reynolds (Re), etc., presentaban la geometría y el tipo de impulsor, las relaciones geométricas del tanque, las características fisicoquímicas de los medios utilizados, las condiciones de aireación o no aireación del líquido en el tanque, etc.



Posteriormente, se relacionaron algunos de estos parámetros con los rendimientos celulares y productividades alcanzadas en los procesos de fermentación, para dilucidar aquel que fuera más crítico. Con estos estudios se abordó más seriamente el escalamiento ya que se intentaba asociar las características de producción -que refleja la naturaleza biológica del sistema- con los aspectos físicos del sistema.

Lo que Aiba y colaboradores manejan como "Bases de escalamiento"



Criterios de escalamiento

Einsele realizó una especie de "estudio-encuesta“, en la que se acercó a distintas empresas de fermentación establecidas a nivel industrial, con la finalidad de establecer el criterio efectivo de escalamiento que aplicaron para el diseño del biorreactor. Al realizar esta pregunta, los criterios más mencionados fueron:

1. la "potencia por unidad de volumen”2. la "velocidad de transferencia de oxígeno“ 3. la "velocidad de punta del impulsor”

No obstante, a pesar que los criterios anteriores fueron catalogados como los de mayor prioridad, raramente fueron totalmente aplicados.



Potencia por unidad de volumen de líquido

Es indudable que uno de los factores que mayormente impactan la economía de un proceso biotecnológico es el consumo de energía, por esta razón, el consumo de potencia -específica- de agitación del líquido de fermentación es uno de los puntos críticos en el escalamiento de un biorreactor. Por si fuera poco, la potencia específica también influencia los rendimientos y productividades de los procesos de fermentación aeróbicos.




Una vez que se ha determinado la "región efectiva de escalamiento" para el proceso en particular mediante estudios a nivel piloto, se selecciona la potencia no aireada (P0) por unidad de volumen para escalamiento, que es la que se desea permanezca constante en el fermentador mayor. Las razones de seleccionar esta potencia y no la potencia aireada (Pg) para procesos aeróbicos de fermentación, básicamente son: (i) para estimar la potencia gaseada se necesita conocer la no gaseada; (ii) que en algunas ocasiones el biorreactor trabajará en condiciones no

gaseadas en las que existirá el máximo consumo de potencia.




Einsele, menciona que para volúmenes de reactores comprendidos entre 0.1 y 100m3, la potencia por unidad de volumen disminuye al aumentar el tamaño del reactor en la siguiente forma:

Ecuación que al ser arreglada en otra forma quedaría de la siguiente manera:

En la que los subíndices "P" y "L" significan planta y laboratorio respectivamente.

( / ) ( ) .P V V 0 5

( / )( / ) ( / )

P VP V V Vp

Lp L Criterios



( / )( / ) ( / )

P VP V V Vp

Lp L

Criterios

=0 ; significa que las potencias específicas serán iguales para el reactor de laboratorio y el de planta (criterio conservador)

> 0 ; muy probablemente no sea la adecuada, ya que significaría que la potencia por unidad de volumen en el reactor de mayor volumen sea más grande, hecho que no se ha encontrado en la industria.



Rushton y cols. encontraron que para líquidos agitados por impulsores en tanques cilíndricos bafleados y en régimen turbulento, la potencia por unidad de volumen podía ser relacionada de la siguiente manera:

de la que se puede llegar a:

por lo que para calcular la velocidad del impulsor del tanque de producción basta igualar esta última expresión para ambas escalas:

de donde se deduce que:

PN D

gi

c0

3 5

6

PV N Di

0 3 2

( )

PV

PV N D N Di i

0

1

0

213

12

23

22

( ) ( )

N ND

Di

i2 1

1

2

2

3

( )

( )

Transferencia de momento

Unidad temática: III Nombre: Transferencia de mom….

Que aprendimos hoy?

Me pusieron atención o están estudiando otra cosa!!!!

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