expo. biioingenieria. transfer. materia
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Transferencia de materiaTransferencia de materia
Presentado por: Giovanny A. Huertas Presentado por: Giovanny A. Huertas Cristian F. Calderón Cristian F. Calderón
Pablo BarragánPablo Barragán
DIFUSIÓN MOLECULARDIFUSIÓN MOLECULAR
Movimiento de las moléculas componentes de una mezcla debido a la diferencia de concentración
En sistemas de una Fase la velocidad de transferencia de materia debida a la difusión molecular esta definida por la ley de Fick
COEFICIENTES DE DIFUSIÓNCOEFICIENTES DE DIFUSIÓN
Gases y vapores en aire1Hidrógeno0.64 x 10-4
2Oxígeno0.18 x 10-4
3Alcohol0.10 x 10-4
4Benceno0.08 x 10-4
Soluciones acuosas5Azúcar0.36 x 10-9
6Sal común1.10 x 0-9
7Alcohol0.80 x 10-9
TEORÍA DE LA PELÍCULATEORÍA DE LA PELÍCULA
Transferencia de materia de una fase a otra
TIPOS DE TRANSFERENCIA DE MATERIATIPOS DE TRANSFERENCIA DE MATERIA
Convección
Liquido – solido
Liquido – Liquido
Gas – Liquido
CONSUMO DE OXIGENO EN CULTIVOS CONSUMO DE OXIGENO EN CULTIVOS CELULARESCELULARES
El oxígeno tiene una baja solubilidad en el agua, por lo que debe ser alimentado continuamente. Tanto la VTO y VCO deben ser controlados en el diseño de los procesos fermentativos para incrementar la productividad.
CONSUMO DE OXIGENO EN CONSUMO DE OXIGENO EN CULTIVOS CELULARESCULTIVOS CELULARES
La diferencia de concentración representa la fuerza impulsora para la transferencia de materia
FACTORES QUE AFECTAN LA DEMANDA FACTORES QUE AFECTAN LA DEMANDA DE OXIGENO CELULARDE OXIGENO CELULAR
Muchos son los factores que influyen en la demanda de oxigeno, siendo los mas importantes:
Especie celular utilizada. Fase de crecimiento de cultivo. Naturaleza de la fuente de carbono
FACTORES QUE AFECTAN LA DEMANDA DE FACTORES QUE AFECTAN LA DEMANDA DE OXIGENO CELULAROXIGENO CELULAR
Baja solubilidad del oxigeno en agua, por tanto es un limitante de la velocidad de crecimiento
La solubilidad del O2 en agua depende de la presión, temperatura y sales disueltas (a presión atmosférica es 7ppm)
FACTORES QUE AFECTAN LA DEMANDA DE FACTORES QUE AFECTAN LA DEMANDA DE OXIGENO CELULAROXIGENO CELULAR
La [ ] crítica de oxígeno disuelto es aquella por debajo de la cual comienza a controlar la velocidad de crecimiento
DEMANDA DE OXIGENO EN UN CULTIVO DEMANDA DE OXIGENO EN UN CULTIVO DISCONTINUODISCONTINUO
La [ ] de células aumenta durante el transcurso del cultivo.
La velocidad total de consumo es ∞ al n° de células presentes
DEMANDA DE OXIGENO EN UN DEMANDA DE OXIGENO EN UN CULTIVO DISCONTINUOCULTIVO DISCONTINUO
El consumo por célula varia
(velocidad específica
de consumode oxigeno)
TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE LAS BURBUJASLAS BURBUJAS
En las fermentaciones aerobias, las moléculas de oxígeno deben superar una serie de resistencias al transporte antes de poder ser utilizadas por las células. Existen ocho resistencias involucradas en el transporte de oxígeno desde el interior desde las burbujas de gas hasta el lugar de reacción en el interior de las células
TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE LAS BURBUJASLAS BURBUJAS
TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE LAS TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE LAS BURBUJASBURBUJAS
TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO DESDE LAS BURBUJASLAS BURBUJAS
TRANSPORTE DE OXÍGENO TRANSPORTE DE OXÍGENO A LAS CÉLULASA LAS CÉLULAS
El valor relativo de las diferentes resistencias a la transferencia de materia depende de:
Composición y propiedades reológicas de fluido.
Tamaño del agregado de células.
De las características de adsorción en la interface.
Intensidad de la mezcla.
Tamaño de la burbuja
Resistencia a la transferencia de Resistencia a la transferencia de oxígeno del gas a la célulaoxígeno del gas a la célula
La capacidad del reactor para transferir O2 de la fase G a la L depende del diseño del reactor, condiciones de operación (aireación y agitación) y de las propiedades reológicas del ½ de cultivo.
De la interacción de estas variables, surge el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno: KLa.
TRANSFERENCIA DE OXÍGENO TRANSFERENCIA DE OXÍGENO EN FERMENTADORESEN FERMENTADORES
El factor común que tienen los problemas de transferencia de masa en un fermentador es que el oxígeno pasa de una fase a otra en la cual está el microorganismo. Las etapas presentes en el fenómeno son:
TRANSFERENCIA DE OXÍGENO TRANSFERENCIA DE OXÍGENO EN FERMENTADORESEN FERMENTADORES
Transporte de oxigeno desde la fase gaseosa hacia la interface G – L.
Transporte del O2 a través de la fase líquida hasta los alrededores del microorganismo.
BURBUJASBURBUJAS
La eficacia de la transferencia de materia G-L depende en gran parte de las características de las burbujas en el medio.
El comportamiento de las burbujas afecta el valor de kLa.
BURBUJASBURBUJAS
Máxima área interfacial se consigue si el gas se encuentra disperso en multitud de pequeñas burbujas en vez de unas pocas grandes (mayor contenido de gas y mayor área)
El principal objetivo en el diseño de un biorreactor consiste en crear un alto nivel de dispersión del gas
LÍMITES EN LA FORMACIÓN DE LÍMITES EN LA FORMACIÓN DE BURBUJAS PEQUEÑAS BURBUJAS PEQUEÑAS
Burbujas con diámetros < a 1mmdeben evitarse.
Como regla general, en cultivos viscosos debe emplearse burbujas relativamente grandes
El KL para burbujas <3mm disminuye por efecto de la tensión superficial generando esferas rígidas con superficies inmóviles y sin circulación interna de gas.
A >3mm el efecto es contrario.
LÍMITES EN LA FORMACIÓN DE BURBUJAS PEQUEÑAS
INYECCIÓN DE GAS, MEZCLA Y INYECCIÓN DE GAS, MEZCLA Y PROPIEDADES DEL MEDIOPROPIEDADES DEL MEDIO
Es necesario conocer los procesos físicos existentes en los fermentadores y que determinan el tamaño de las burbujas, ya que este es un parámetro crítico que afecta a la transferencia de oxígeno; estos procesos incluyen:
Formación de la burbuja.Dispersión del gas.Coalescencia.
AGENTES ANTIESPUMANTESAGENTES ANTIESPUMANTES
MÉTODOS PARA REDUCIR LA ESPUMA:
Métodos químicos:- Método más común de reducir la creación de espuma en los
fermentadores- Afectan a la superficie química de la burbuja y su tendencia a
coalecer (efecto sobre kLa).- Son sustancias fuertemente reductoras de la tensión
superficial - Disminución en la tensión superficial disminuye el diámetro
medio de las burbujas (mayor área).- Disminución en la movilidad de la interfase gas-líquido
(disminuye kL).- Disminución de kL es superior al aumento del área por lo que
en conjunto se produce disminución de kLa.(factor de 10)
Métodos físicos:- Discos rotatorios de alta velocidad que giran
en la superficie del recipiente y centrífugo- Creación espuma moderada- Necesitan grandes potencias en reactores
grandes. - Capacidad limitada de destrucción de espuma.
Concentración de Oxígeno Concentración de Oxígeno DisueltoDisuelto
Depende de las velocidades de transferencia y consumo de Oxígeno.
EFECTO DE LA PRESIÓN PARCIAL, TEMPERATURA Y EFECTO DE LA PRESIÓN PARCIAL, TEMPERATURA Y PRESENCIA DE SOLUTOS EN LA SOLUBILIDAD DEL PRESENCIA DE SOLUTOS EN LA SOLUBILIDAD DEL
OXÍGENOOXÍGENO
A una determinada temperatura, el efecto de la presión parcial de oxígeno en fase gas sobre la solubilidad viene dada por la ley de Henry. Por lo tanto, la solubilidad del oxígeno en agua a 1 atm de presión de aire es 0.2099 veces la solubilidad a 1 atm de oxígeno puro. La solubilidad del oxígeno disminuye al aumentar la temperatura. Mientras que la presencia de iones, azúcares al medio de fermentación hace que la solubilidad del oxígeno disminuya.
LEY DE HENRYLEY DE HENRY La cantidad de gas disuelta en un liquido a una
determinada temperatura es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el liquido.
PA = H.CA.PA = H´.XA
Donde:
PA --> la presión parcial del componente A en la fase gaseosa
H y H´ --> las constantes de la ley de Henry, (que dependen de T, fundamentalmente, y también de P)
CA --> la concentración del componente en cuestión en la fase líquida.
XA --> la fracción molar del componente en cuestión en la fase líquida