intro 5 biorre

7/22/2019 Intro 5 Biorre

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INSTITUTO POLITCNICO

NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL

INTERDISCIPLINARIA DE

BIOTECNOLOGA

LABORATORIO DE BIORREACTORES

GRUPO: 3BV1

EQUIPO: 3

PROFESORES:MARTINEZ LIMON JONASDURAN HERNANDEZ DAGOBERTO

INTEGRANTES:Alvarez Valois VanesaCruz Arellano BryantGarca Rodriguez Lourdes AndreaRodrguez Vargas DianaUrrutia Cabrera Daniel

INTRODUCCIN

PRCTICA NO. 5

Determinacin de la

velocidad detransferencia deOxigeno


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Etapas de la transferencia deO2 desde la burbuja a la clula

1 - Difusin dentrode la burbuja hacia

la interfase gas-lquido

2 Difusin a travsde la interfase gas-

lquido

3 - Difusin a travsde la pelcula lquida

en torno a laburbuja

4 Movimiento pordifusin en el seno

del lquido

5 - Difusin a travsde la pelcula lquida

en torno al flculocelular

6 Entrada al flculocelular

7 - Difusin a travsdel flculo celular 8Difusin a travsde la membrana

celular

9 Reaccin deoxidacin


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Ilustracin 1 Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula


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Ley de Henry

Describe la solubilidad del O2 en un lquido enrelacin a la presin parcial del O2 en el gas encontacto con la fase lquida

C* es la concentracin de saturacin en lasolucin nutriente, Po es la presin parcial deO2 en la fase gaseosa y H es la cte de Henry,especfica para para el gas y la fase lquidaInsuflando aire se logra una concentracin de8 mg O2/L en agua, con oxgeno puro 43 mgO2/L.


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Parmetros que influyen en la

capacidad de transferencia deoxgeno de un sistema defermentacin Diseo del fermentador:

TurbinasBaffles

Aireadores

Geometra:Organismo:

Morfologa

Medio de cultivo:

Solubilidad del oxgeno

Viscosidad

Presencia de agentes tensoactivos

Parmetros del proceso:

Veloc agitacin(RPM)

Caudal aireacin(VVM)

Presin parcial de O2 (pO2)


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Transferencia de Oxigeno

Conversiones microbianas aerbicas

Factor limitante de la productividad celular.

Baja solubilidad del oxigeno en agua

Su velocidad en un biorreactor depende de lascondiciones de operacin y las propiedades fsicas delliquido

=

kLa: coeficiente volumtrico de transferencia de oxigeno (1)

C*: concentracin de oxigeno disuelto en el equilibrio con fasegaseosa (g/L)

C: concentracin de oxigeno disuelto (g/L)


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Contenido de gas del

fermentador y tiempo deresidencia de las burbujas

El O2 debe ser suministrado tratando que las burbujasqueden temporalmente retenidas en el seno dellquido para que el O2 se transfiera a la fase lquida.

A mayor Tiempo residencia de burbuja mayor a latransferencia de O2 hasta el punto en que laconcentracin de O2 de la burbuja es muy baja.

Tiempo de residencia de Burbuja depende deltamao y de la geometra del fermentador (a > h > Tr)


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Factores que afectan la

demanda de oxgeno Velocidad de respiracin determinada por la afinidad

de oxidasas

Tipo de respiracin (aerbica vs anaerbica) Tipo de

sustrato (glucosa vs metano) Otros factores ambientales (pH, temp etc.)

Relacin superficie/ volumen

Tamao (bacteria v clula animal)

Presencia de hifas, clogs, etc.

Naturaleza de la superficie (presencia de capsula,etc.)


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Columna de burbujeo

La velocidad de transferencia deoxigeno es determinada de maneraimportante por el rea superficial de lasburbujas de aire

Debido a la coalescencia las burbujaspueden crecer hasta aproximadamente6 mm de dimetro despus de dejar lazona de dispersin.

Al aumentar la concentracin deelectrolitos disueltos en dicho liquido, seva inhibiendo la coalescencia de lasburbujas.


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Se obtienen fracciones de gasretenido mas grandes

La fracciones de gas retenidodisminuye al aumentar lavelocidad de circulacin.

La transferencia de masa

cambia a lo largo de la rutadel flujo

La diferencia deconcentracin de oxigenocambian de una altura a otra

COLUMN

A

AIRLIFT

La velocidad del lquido representapor lo tanto, un parmetro muy

importante para adaptar la fraccinde gas retenido y el tiempo de

resistencia promedio de las burbujas alos requerimientos de proceso.


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Porque es importantedeterminar KLa para un sistema

de fermentacin? Es un parmetro confiable que sirve para conocer la

velocidad de transferencia del oxigeno de aire alliquido del biorreactor, una de sus caractersticas ms

importantes (la otra es la capacidad de disipar elcalor generado)

Puedo determinar que fermentador es adecuadopara escalar un proceso (scaling up)

Si debo desarrollar un nuevo proceso y adaptarlo a unfermentador de gran escala preexistente, permiteconocer las las limitaciones que voy a tener en plantay limitar el alcance de la etapa I+D (scaling down)


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OBJETIVO Determinar la velocidad de transferencia de

oxigeno(VTO), el coeficiente volumtrico detransferencia de oxigeno(kLa) y la fraccin de gasretenido global en diferentes tipos de biorreactores.

Objetivos especficos Utilizar el mtodo de sulfito para determinar el

coeficiente volumtrico de transferencia de oxigeno.

Utilizar el mtodo dinmico para determinar el

coeficiente volumtrico de transferencia de oxigeno.


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Biorreactores

Biorreactor de tanque agitado

Biorreactor de columna

Biorreactor airlift

Electrodo y medidor de oxigeno disuelto

Reactivos Sulfito de sodio

Sulfato de cobre pentahidratado Solucin de Yodo 0.1N

Solucin de Tiosulfato de sodio 0.1N

Solucin de almidn soluble al 1%


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Mtodo desulfito

La oxidacin de in sulfito a in sulfato donde la velocidad

es independiente de las concentraciones de sulfito yoxgeno

La velocidad de oxidacin es controlada por la velocidadde transferencia de oxigeno a la solucin

DESVENTAJAS

Lento No considera la reologa del medio


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Determinar kLa

Se usa una solucin de NaSO3 que contiene Cu+2 comocatalizador

Se toma una muestra para determinar la concentracinde in sulfito que no reaccion

Yodo


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El yodo que no reaccion

Tiosulfato de sodio

Reacciones 2Na2SO3+ O22Na2SO4 2 Na2SO3+ 2I2+ 2H2O 2Na2SO4+

4HI

2I2+ 4Na2S2O34NaI + 4Na2S4O6


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Determinar kLa porel mtodo dinmico

Balance dinmico de oxgeno bajo condiciones noestacionarias

dC/dt = kLa(C*-C)No contiene microorganismos

El suministro del oxigeno se reemplaza por el suministro delnitrgeno.

Despus se inicia la aireacin a una velocidad constante

ln(C*-C2/C*-C1) = -kLa(t2-t1)


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Ilustracin 2 Grafica de Concentracin de oxgeno disuelto vs tiempo

Ilustracin 3 Grafica de ln(C*-C) vs tiempo


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VentajasPuede determinar KLa durante

una fermentacin realRpido

DesventajasPuede trabajar en un rango

limitado de concentracionesde O2, el nivel no puede caerpor debajo de la Ccrit

Dificil de aplicar enfermentaciones con altademanda de O2 (como la denuestro TP!)

Mide OTR en un solo punto delfermentador, adonde se alojala sonda

Mtodo dinmico


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Mtodo deexpansin

Determina la fraccin de gas retenido global Medir el volumen del lquido aireado y el volumen del

lquido sin airear


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Utilizando la tcnica de gassing out se mide con una sondapolarogrfica el incremento en O2 disuelto de un medio decultivo del cual se ha eliminado el O2

Se elimina todo el O2 del medio por burbujeo de N2, luego seadministra aire y se grafca:

Determinar kLa por elmtodo esttico (no utilizado

durante la practica)

Ilustracin 4 Grafica de Concentracin de oxgeno disuelto vs tiempo


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Mtodo esttico

Ventajas Rpido ~15 mins Puede utilizar medio de

cultivo

Desventajas En escala industrial se

requieren grandescantidades de N2 paraeliminar todo el oxigeno

Mide la transferencia de O2n un unico punto del

fermentador El tiempo de respuesta del

electrdo introduce errores


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Desarrollo experimentalDeterminacin del kLa por el mtodo del sulfito.

Agregar al biorreactor la solucin de Sulfito de sodio 0.4 M.

Adicionar la solucin de Sulfato de cobre al biorreactor.

Ajustar el pH a un valor de 7.2 con HCl concentradoAjustar el pH aun valor de 7.2 con HCl .

Poner a funcionar el biorreactor

Tomar una muestra de 1 mL y verterla a un matraz de 250 mL, con10 mL de la solucin de Yodo 0.1N.

Despus de tomar 5 muestras, detener la aireacin y/o laagitacin

Titular el exceso de Yodo de los matraces donde se depositaron las

muestras con la solucin de Tiosulfato de sodio 0.1N


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Determinacindel kLa por el

mtodo

dinmico

Calibrar el electrodo deoxgeno disuelto e

instalarlo en elbiorreactor

Llenar el biorreactor conagua, hasta alcanzar elvolumen de operacin.

Poner a funcionar elbiorreactor de acuerdoa las condiciones de

operacin

suministrar nitrgenopara que la C disminuya

Cuando la C sea de 0%a 10% de saturacin,suspender el suministro

de nitrgeno

iniciar el suministro deoxgeno a un flujo

correspondiente a unacondicin de operacin

Registrar el % deOxigeno cada cierto

tiempo

Cuando el % desaturacin de oxgenodisuelto sea alto, delorden de 90% a 100%

puede terminar elexperimento


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Condiciones de operacin

Biorreactor tanque agitado. Velocidades deagitacin: 300 y 700 rpm. Para cada velocidad deagitacin se probarn las siguientes velocidades de

aireacin: 0.3, 0.6, 1.0, 1.2 y 1.5 vvm. Biorreactores de columna de burbujeo y airlift.

Velocidad de aireacin: 0.3, 0.6, 1.0, 1.2 y 1.5 vvm


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BIBLIOGRAFA

Aiba, S., Humphrey, A. E., Millis N. F. (1973),Biochemical Engineering, 2 edicin, EditionAcademic.

Harper, E. H. (2000), El ABC de la instrumentacin en elcontrol de procesos industriales, Limusa, 1 edicin,Mxico

. Wang, D .I .C ., Cooney, C. L, Demain, A. D., Dunill, P.,Humphrey, A. E., Lilly, M. D. 1978. Fermentation and

enzyme technology. John Wiley and Sons.

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