introducción al diseño de reactores biologicos
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Introducción al diseño de reactores biologicosTRANSCRIPT
INTRODUCCIÓNALDISEÑODEREACTORESBIOLÓGICOS
Dr.GerardoSaucedoCastañ[email protected]
PlantaPilotodeFermentaciónenMedioSólido,PP4
REACTORESBIOLÓGICOSConcepto
EsuntanqueorecipientequemanHeneunambientebiológicamenteadecuado,yenelcualsellevaacabounprocesounitarioenelqueseinvolucranfenómenosdebiotransformaciónasociadosatransferenciademomentum,calorymasa.
SudiseñodebeasegurarunambienteuniformeyadecuadoparalareproducciónyacHvidaddelosmicroorganismos
Suescalaestásujetaasuaplicación:anivellaboratorio,
plantapilotoeindustrial.
• Mantener las células uniformementedistribuidas en todo el volumen del culHvo afindeprevenirlasedimentaciónolaflotación.
• Mantenerconstantelatemperatura.
REACTORESBIOLÓGICOSFunción
• Minimizar losgradientesdeconcentracióndenutrientes.
• Suministrar oxígeno a una velocidad tal, quesaHsfagaelconsumo.
• El diseñodebe ser tal quepermitamantenerelculHvopurosincontaminantes.
Materiasprimas
TratamientoVsico
ProcesoBiológicooBioquímicocon
reacción
Procesosdeseparación Productos
BIOPROCESOSEsquemadeunbioproceso
Materiasprimas imagen Productos
Salida=ƒ(Entrada,ModelodecontactoycinéHcadereacciónenzimáHcaomicrobiana)
¿EndóndeencontramosBioprocesososusproductos?
Sectores:• FarmacéuHco• Alimentario• Cervecería• Fermentaciones• CosméHcos• Agropecuarioyagrícola• BiocombusHbles• Tratamientodeaguasresiduales• Tratamientoderesiduossólidos• Tratamientodegasescontaminantes• Salidpública• ¿Enlasposadas?
REVISIÓNDECONCEPTOSFUNDAMENTALES
TASADEREACCIÓN¿Quéesunatasa?EselcambiodevariablesenfuncióndelHempo.• Latasadereacciónesunapropiedadintensiva,definidaen
cada punto de lamezcla reaccionante, por lo que cambiacon laposición,deacuerdoa cambiosdeconcentraciónytemperaturaprincipalmente.
• Considerandolareaccióngeneral:
• La velocidad o tasa de reacción en una aproximación deestadocuasi-estacionario,sedefinecomo:
Donde:S=Concentraciónmolardel
sustrato,molL-1P=Concentraciónmolardel
producto,molL-1t=Tiempo
TASADEREACCIÓN
• En estudios cinéHcos experimentales se buscatener reactores bien agitados, sin problemas demezclado, de tal forma que se elimine ladependencia de la tasa de reacción con elvolumendelreactor.
• Un Hpo de experimento para medir reaccionesenzimáHcas es medir la velocidad inicial dereaccióndetalformaque:
Donde:t=t0,S=S0,P=0@t=0
Diferenciaentrecatalizadoresbiológicosyquímicos
• Existe una gran similitud entre las reaccionescatalíHcas químicas y las enzimáHcas bioquímicas yunametodologíaencomún,peroexistendiferencias:
BIOLÓGICOS QUÍMICOS
! Reaccionesbajocondicionessuaves,temperaturasmenoresa100ºC,presiónatmosféricaypHcasineutro.
! Raramentegeneranproductosindeseables,porsualtaespecificidad.
! Requierentemperaturaypresiónelevada,pHextremoparasereficaces.
! CasisiempreseobHenenproductoscolaterales.
FenómenosdeDesacHvaciónencatálisisenzimáHcayquímica
FenómenosdepérdidadeacIvidadcatalíIca,ysuscausas,enenzimasycatalizadoresquímicos
FENÓMENO CAUSA
CatalizadorquímicoInhibiciónporproducto(reversible) ElproductoacumuladoocupasiHosacHvos.
Envenenamiento(irreversible) AlgunossiHosacHvosreaccionaronconsustanciasquedanlugaraunsiHoinacHvo.
Sinterización(irreversible) UnagranáreadelcatalizadorpierdesuperficieacHvadisminuyendoelnúmerodesiHosacHvosporvolumendecatalizador.
CatalizadorenzimáHcoomicrobianoInhibiciónporproducto(reversible) ElproductoacumuladoocupasiHosacHvos.
Envenenamiento(irreversible) AlgunossiHosacHvosreaccionaronconsustanciasquedanlugaraunsiHoinacHvo.
Desnaturalización(irreversibleoreversible) LaconformaciónmoleculardelaenzimacambiaocultandooinacHvandosiHosacHvos.
CLASIFICACIÓNDELASREACCIONES
ReaccionesNocatalizadas Reaccionescatalizadas
REACCIONESHOMOGÉNEAS
Reaccionesenfasegaseosa
CombusHóndegas
Muchasreaccionesenfaselíquida
Pseudohomogéneasopseudoheterogéneas
Reaccionesensistemascoloidales,microbianosyenzimáHcas,tratamientodeagua
REACCIONESHETEROGÉNEAS
CombusHóndegasolina,diesel,carbón
Hidrogenaciónaceites
Crackingdepetróleo
Fermentaciónsólida
COMPARACIONDELASTASASDEREACCIÓN
• Velocidaddelasreacciones
HacerEjemplo1.1y1.2Levenspiel3ªed.2006
Ejemplo1.1Levenspiel
Ejemplo1.2Levenspiel
TASADEREACCIÓN
• Reaccionesheterogéneasyhomogéneas
• Elcambiodedensidad(ρ)debidaalaspresionesparcialesesmuyimportante
• Para la mayoría de los procesos biológicos ladensidadesconstante.
EXPRESIONESDETASADEREACCIÓN
• TasadedesaparicióndelsustratoSoaparicióndelproductoP
Paraestablecerlaequivalenciadelastasasde
reacción,despejamos
Donde:V:Volumendereaccións:superficiew:pesodelcatalizadorVr:Volumendelreactor
REACCIONESELEMENTALES
Reaccionesenserie
Reaccionessimultáneas
(DelHpocompeHHvo)
Reaccionessimultáneas
(Éstassucedenenparalelo)
Reaccionesreversibles
Enelequilibriolareaccióndirectaesigualalareacciónreversa.
MUYIMPORTANTE:Laconstantedeafinidadenbioprocesos,kS,estádefinidacomoelinverso(Reac/Prodo(k2/k1)delaconstantedeequilibrioKeq.
EntonceslaconstantedeEquilibrioeslarelacióndeproductosyreacHvos(Prod/Reac)olarelacióndecontantesdeFormaciónentreladeDisociacióndelosreacHvos(k1/k2).
ORDENDEREACCIÓN
aybsonlosexponentesalacualestánelevadaslasconcentraciones.TasadereaccióndeAesdeordenaconrespectoalaconcentracióndeCa.TasadereaccióndeBesdeordenbconrespectoalaconcentracióndeCb.
OrdenGlobaldelaReacción:G=a+b...+z
Cuálessonlasunidadesdelconstantedereacciónk?¿Seránlasmismasparalastresórdenesdereacción?
Generalizacióndelordendereacción(n):
ANÁLISISDETASASDEREACCIÓN
Los3Hposdereactoresideales
• Reactorporloteointermitente
• Reactordeflujopistón
• ReactorconHnuodeflujomezclado
Salida=ƒ(Entrada,ModelodecontactoylacinéHca dereacciónenzimáHca/microbiana)
imagen
Conceptosimportantesparalasreacciones
• NS0=númerodemolesiniciales• NS=númerodemoles• XS=Conversión,fraccióndereactantetransformado
ExpresadaentérminosdemolesXsresulta:
0≤XS≤1
0(significaquenadahareaccionado).1(significaquetodosehatransformado).t½=Hempoparaconsumirel50%delreactanteCs.
ExpresadaentérminosdeconcentracionesXsresulta:
Cambiodevolumenconelavancedelareacción.V = V0 ( 1 + εs XS ) Vo=volumeninicialεsXs=factordevolumenentreelV0yelVenfuncióndeXSXS:avancedeLareacciónParalamayoríadelareaccionesbiológicasenmedioacuosoladensidad(ρ)esconstanteporloqueelvolumenesconstante.Eneltratamientobiológicodegasespodríahabercambiodevolumen.
Parareaccionesdeorden0
Reaccióndeceroorden
Reaccióndeprimerorden• Expresandoentérminosdeconversión,XS:
• SusHtuyendoyrearreglandolaexpresión:
Rearreglandolaexpresión:
Integrandosellegaa:
Reaccióndesegundoorden
ElconsumodeAesenlasmismasproporcionesqueelconsumodeB.
a) Sellegaa:
Entodomomentosecumpleque: Integrando:
SusHtuyendo-dCAporCA0dXAenlasiguienteexpresión:
Considerandoque@t=0:
SusHtuyendoXB:
Reaccióndesegundoordenbimolecular
IntegrandodeCS0aCS:
Tasasdereaccióndeordenn,paran≠1
• Laformageneraldeintegraciónes:
• Válidasólocuandon≠1• SiCS=0(cuandoseagotaelsustrato)
entonces:
Primerordenreversible
• Nomenclatura
€
Biomasa :CX = CC = X Crecimiento microbiano : dCX
dt=dCC
dt=dXdt
Sustrato :CS = CA = S Consumo de sustrato : − dCS
dt= −
dCA
dt= −
dSdt
Producto :CP = CR = P Formación de producto : dCP
dt=dCR
dt=dPdt
ModelosdeDRBparaunasolareacciónDensidadconstante
Reactorintermitenteoflujopistón Reactordetanqueagitado
n=0-rA=k
n=1-rA=kCA
n=2-rA=kCA2
Cualquiern-rA=kCAn
n=1ARCR0=0
Ecuacióndevelocidadgeneral
ModelosdeDRBparaunasolareacciónDensidadconstante
Reactorintermitenteoflujopistón Reactordetanqueagitado
n=0-rS=k
n=1-rS=kCS
n=2-rS=kCS2
Cualquiern-rS=kCSn
n=1SRCR0=0
Ecuacióndevelocidadgeneral
EjerciciosOmnilibroLevenspielCap1.A6,A7,A8,A9
Cap2.A1,A2,A3,A5,A6,A13.Encontrarlaexpresiónde
velocidadde:B14"B19E36,E40
CONTRIBUCIONESCLAVESALACINÉTICADEREACCIONESENZIMÁTICAS
IrvingLangmuirIsotermasdeLangmuir
CINÉTICADEMICHAELIS-MENTEN
LeonorMichaelis MaudMenten GeorgeEdwardBriggs
JohnBurdonSandersonHaldane
• El modelo deMichaelis-Menten (1913) esun caso hipotéHco de reacciones catalizadasporenzimas.• Posteriormente profundizado por GeorgeEdward Briggs y John Burdon SandersonHaldane(1925).
PublicacionesemblemáHcas
• Paraconcentracióndesustratoalta,latasadereacciónesindependientedelaconcentracióndesustrato;tasadereaccióndeOrdenCero.
• Paraconcentracióndesustratobaja,latasadereacciónesdePrimerOrden,conrespectoalaconcentracióndesustrato.
Elprocesoseveafectadoentodomomentoporlaconcentracióntotaldeenzima.Unaexpresiónquedescribeesteprocesoes:
• Losmecanismoselementales sepuedenexplicar tomandoenconsideración:
• Dedonde:
• Elavancedelareacciónsepuedecaracterizarconsiderandola formación y desaparición del sustrato, el complejoenzima-sustrato y el producto.Demanera que se puedenescribir,paralatasadereacción,lassiguientesecuaciones.
ECUACIÓNDEMICHAELIS-MENTEN
• Lostérminos y sedefinencomo
y ,respecHvamente.Laecuación
seescribe:
QueeslaecuacióndeMichaelis-Menten.• El término resulta de una condición deequilibriorápido.
• proviene de considerar un estadopseudoestacionario, uHlizándose ambas de formaindisHnta.
ECUACIÓNDEMICHAELIS-MENTEN
• GráficodelaecuacióndeMichaelis-Menten
CONCEPTOSIMPORTANTESDELAECUACIÓNDEMICHAELIS-MENTEN
• La velocidad de reacción se acerca asintóHcamente, haciaunvalormáximormax.
• Lamitaddelvalordermaxsealcanzaaunaconcentraciónde sustrato conocida como la constante de Michaelis, yaseaKMoKSsegúnelcaso.
• Este parámetro se considera como una medida de laafinidaddelaenzimaporelsustrato,amenorvalordeKMmayorafinidad.
• LatasadereacciónsepuedeaproximararmaxcuandoseHenenconcentracionesdesustratomuchomayoresaKM,yse Hene una cinéHca de orden cero con respecto alsustrato.
• AconcentracióndesustratomásbajasqueKMseHeneunacinéHca de primer orden, con respecto al sustrato, y lagráficadelatasadereacciónesunalínearectaenesazona.
TASAESPECÍFICADECRECIMIENTOMICROBIANO
Latasaespecíficadecrecimiento(μ)esunavelocidadalacual se duplica una población microbiana en un Hempodeterminado.
• Es una tasa específica porque se define por unidad debiomasa.
• μ representa el estado fisiológico delculHvomicrobiano.• Depende de la concentración delnutrientelimitante.• La ecuación de Monod describe larelación entre la velocidad específica decrecimiento, μ, y la concentración delnutriente limitante, S, en un culHvomicrobiano.
TASAESPECÍFICADECRECIMIENTO• ElmodelodeMonodexpresa:
• La ecuación b está representada en la siguiente figura endonde μ se grafica como función de la concentración delsustrato.ElvalordeKSseobHenecuandoμ=0.5μmax.
Las condiciones ambientalesHenen una gran influencia en elcrecimiento microbiano, demaneraque:μ = f ( T, pH, naturaleza ycomposición de nutrientes,fuerzaiónica,etc.)
Otrosmodelospropuestosparacrecimientomicrobiano…
NOMBRE EXPRESIÓNCINÉTICA
Tessier
Moser
Contois
Blackman
LeylogísHcaVillad
senetal201
1
Otrosmodelospropuestosparacrecimientomicrobiano…
Villadsenetal2011
CONDICONESDECULTIVOPARALAECUACIONDEMONOD
• Inoculoviable• Nutrientelimitantebiendefinido• MediodeculHvobalanceado• Ausenciadecondicionesadversas(Temperatura,pH,inhibidores,entreotros).
La tasa de crecimiento (μ) depende de la máxima quepuedealcanzarelmicroorganismo,delaconcentracióndesustratoydeunvalorKSquerepresenta laconcentraciónde sustrato a la que se alcanza una tasa de crecimientoigualalamitaddelamáxima.
TASAESPECÍFICADECRECIMIENTO• Constantesdesaturación(Ks)paradiferentessustratosy
microorganismos
TIEMPODEDUPLICACIÓN• ElIempodeduplicación (td)eselperíodoquerequieren
las células de una población microbiana para crecer,dividirse,ydar lugaradosnuevascélulasporcadaunadelasqueexis�ananteriormente.
• El Hempodeduplicación varía dependiendode la especiemicrobiana y de las condiciones de crecimiento de lapoblación.
• El Hempo de duplicación es, aproximadamente, el mismoparatodaslascélulasdeunadeterminadapoblación.
• Td no cambia hasta que se agotan los nutrientes ocomienzanaacumularselosproductosmetabólicostóxicos.
TIEMPODEDUPLICACIÓN• Siseintegralaecuación(a)entreloslímitessiguientes:
• Donde:
td=Hempodeduplicación
• SeobHeneque:
• La ecuación 3 es de gran importancia biológica pues si setabulan los Hempos de duplicación máxima para bacterias,levaduras, mohos y protozoarios, se observa que estosHemposseagrupan,siendolasbacteriaslasqueHenenuntdmenorylosprotozoariosmuchomayor.
TIEMPODEDUPLICACIÓN• DistribucióndelosHemposmáximosdeduplicaciónparamicroorganismos
• Efectodelatemperaturaenelcrecimiento
• EjemplosdeHempodeduplicación
CRECIMIENTOCELULARPORLARESPIRACION
• LafunciónlogísHca,curvalogísHcaocurvaenformadeSesunafunciónmatemáHcaqueapareceendiversosmodelosde crecimiento de poblaciones; incluye la fase deadaptación, exponencial, crecimiento acelerado yestacionario.
• Está ecuación es usada para esHmar el crecimientomicrobiano.
ECUACIÓNDEGOMPERTZPARAESTIMARCRECIMIENTO
• EnFMSesmasfácilmedirlarespiraciónquelabiomasa.
Zwieteringetal1990,1992
ECUACIÓNDEGOMPERTZPARAMODELARELCRECIMIENTOMICROBIANO
• GráficodelmodelodeGompertz
EfectodelascaracterísHcasdelcrecimientomicrobianoenelDRB
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40
Form
acio
n X
o P
, C
onsu
mo
de S
(g/l)
Tiempo (h)
P
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0 10 20 30 40
dP,
dX ,
-dS
Tiempo
dP
dP
0 2 4 6 8
10 12 14 16 18
0 5 10 15 20 25 30
1/ rp
= 1
/dP,
1/rX
= 1
/dX,
1/
-rs
= -1
/dS
So-Sf = P
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30
1/ rp
= 1
/dP,
1/rX
= 1
/dX,
1/
-rs
= -1
/dS
So-Sf=P
EFECTOSIMULTÁNEODEPHYTEMPERATURASOBRELAACTIVIDADENZIMÁTICAY
MICROBIANA
EFECTODELpH
• La mayoría de las enzimas poseen un pHcaracterísHcoalcualsuacHvidadesmáxima.
• Por encima o por debajo del pH ópHmo laacHvidaddisminuye.
• LarelaciónentreelpHylaacHvidaddecualquierenzimadependedelcomportamientoacido-basedelaenzimaydelsustrato,asícomodemuchosotrosfactores.
• LaformadelacurvadeacHvidad-pHvaríaconlaconcentracióndesustrato,yaqueelvalordeKMdemuchasenzimasvaríaconelpH.
ACTIVIDADDEENZIMASCONRESPECTOALpH
• ¿Cómopodemossimularestecomportamiento?
MODELOSQUEDESCRIBENELEFECTODELpH
• Modelos clásicos basados en de reacciones ácido-baseHenderson-HasselbackpH = pK + log [ácido/base]
• ModelodeMichaelis–MentendelpH.Sepuedenobtenerformas úHles para representar los efectos del pH en laacHvidadcatalíHcadelaenzimausandoelsiguientemodelodelestadodeionizacióndelsiHoacHvo:
• En estas reacciones ácido-base,E− denota la forma acIvade la enzima, mientras que E y E= son formas inacHvasobtenidasporprotonaciónydesprotonacióndelsiHoacHvodelaenzima,respecHvamente.
• k1yk2sonlasconstantesdeequilibriodelasreacciones.
EFECTODELpHENLAECUACIÓNDEMICHAELISMENTEN
• La protonación y desprotonación son procesos muyrápidos comparados con lamayoría de las reaccionesen solución, por lo tanto, puede asumirse que lafracción de la enzima en el estado iónico acHvo es Y-siemprequelaenzimaesteactuandocomocatalizador.
• Consecuentemente. La influencia en la velocidadmáxima de reacción Vmax se puede obtener almulHplicar la concentración de enzima total ET por lafraccióndelaformaacHvadelaenzimaY−:
• Despuésdeescribirlasrelacionesdeequilibrioparalasdosreacciones:
• Laenzimatotalestadadapresente,por:
• LafracciónparacadaHpodeenzimaestadadopor:
• DondepK1ypK2esdefinidocomo:
-logK1; -logK2
EFECTODELpH
pK1=4ypK2=7 pK1=4.5ypK2=5.5
0.0000
0.2000
0.4000
0.6000
0.8000
1.0000
1.2000
0 2 4 6 8 10
Y, Y
`, Y`
`
pH
Efecto del pH y pK en la forma activa E
Y
Y´´´
Y`
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 2 4 6 8 10
Y, Y
`,Y``
pH
Efecto del pH y pK en la forma activa E
Y
Y`
Y``
HacergráficaparapK1=4ypK2=7
HacergráficaparapK1=5.5ypK2=6.5
2<pH<9,ΔpH=0.2unidades
Tareaespecial
EFECTODELATEMPERATURA
• La velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas seincrementan en general con la temperatura, dentro delintervalo donde la enzima es estable y permanecetotalmenteacHva.
• Las enzimas, al ser proteínas, se desnaturalizan por laacción del calor y se inacHvan cuando la elevación de latemperaturasobrepasaunciertopunto.
• La temperatura ópHma de una enzima es el resultado dedosprocesos:1)Elincrementohabitualdelavelocidaddereacciónconlatemperatura. 2) El incremento de la velocidad de desnaturalizacióntérmicadelaenzimaalsobrepasaruntemperaturacríHca.
ParadescribirelefectodelatemperaturasobrelacinéHcaenzimáHcaserecurrealaecuacióndeArrhenius:
Donde:EA=energíadeacHvación A=FactorfrecuenciaR=Constantedelosgases1.987cal/molK;8.314J/molKT=TemperaturaenK
APLICACIÓNDELAECUACIÓNDEARRHENIUSEN2PUNTOS
Tomandologaritmosydividiendolasegundaexpresiónentrelaprimerasellega:
¿Quéinformaciónadicionalpodemosobtener?
LaesHmacióndeQ10¿puededarindiciosdelimitacionesdetransferenciademasa?
Difusión 6,000 1.4
Procesosbiológicos 12,600 2
Químicos 50,000 15.5
EJERCICIOSCap1OMNILIBROLevenspiel
B10,B11,B12,B13,B16,B18,B19,B21,B22
EFECTODELATEMPERATURA
• EseneryRoelsdesarrollaronunaecuaciónbasadaen una reacción reversible de la forme acHva einacHvadelaenzimaenfuncióndelatemperatura EacHva↔EinacHva
¿Cómopodemossimularestecomportamiento?
A=2.694E+11h-1B=1.300E+47EA1=70,225J/gmolEA2=283,356J/gmol
AplicaciónalaFMSdeyucaporA.niger
Hacergráficadelefectodetemperaturasobreµ
22<T<47,ΔT=0.5unidades
DatosdeAplicaciónalaFMSdeyucaporA.niger
Tareaespecial
¿SEPODRÁSIMULARELEFECTOSIMULTÁNEODELATEMPERATURAYDELPH?
• Recordemosloqueyasabemos
• EfectodelpH
• Efectodelatemperatura
Ser
ie1 Ser
ie11
S
erie
21
Ser
ie31
S
erie
41
Ser
ie51
S
erie
61
Ser
ie71
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
15.0
0 21
.50
28.0
0 34
.50
41.0
0 47
.50
0.30-0.35 0.25-0.30 0.20-0.25 0.15-0.20 0.10-0.15
Hacerlagráfica3DdeefectocombinadodepHy
temperatura.
Suma0.2unidadesalacalificaciónfinal.
Tareaespecial
CONCEPTOSIMPORTANTESPARAREACTORESDEFLUJO
CONTINUO
CULTIVOCONTINUO
Un culIvo conInuo es un sistema abierto con volumenconstante,alqueconHnuamenteseañademediofrescodeunreservorio y al que se le reHra medio usado que conHenemicroorganismos y sustancias de desecho a una velocidadconstante.
• PorlotantoelmedioserenuevaysucomposiciónnocambiaalolargodelHempo,loquepermitemantenerelcrecimientomicrobiano de la población de forma indefinida, una vezalcanzadoelestadodeequilibrio.
• Existendos formasbásicas de culHvo conHnuo: el culHvodeflujo tapón y el reactor conHnuo de tanque agitado oquimiostato.
• TodaslasteoríasdeculHvoconHnuosebasanenelmodelodeMonod.
CULTIVOCONTINUO• Flujotapón En este Hpo de fermentación conHnua la solución deculHvofluyeatravésdeunreactortubularsinmezclado.Lacomposicióndelasolucióndenutrientes,elnúmerodecélulas,latransferenciademasa(suministrodeO2)yla producHvidad varían en disHntas posiciones dentrodelsistema. A la entrada del reactor las células deben añadirseconHnuamentejuntoconlasolucióndenutrientes.
• Quimiostato Un quimiostato consiste en un tanqueagitado con una suspensión de biomasaperfectamentemezcladayhomogénea,alaquesealimentaconmediofrescoaunatasa constante; el caldo de fermentaciónesextraídoalamismavelocidaddemodoqueelvolumenpermanececonstante.
VENTAJASDELCULTIVOCONTINUO• La velocidad específica de crecimiento μ puedeestablecerse(dentrodeloslímitesdelmicroorganismo)de acuerdo con las necesidades de la experiencia. Sepuede seleccionar un estado de acHvidadmetabólicoparHcular de acuerdo a las condiciones de operacióndelreactor.
• Se pueden obtener células en un estado definidoindependientementedelHempo.
• Con equipo de laboratorio se puede producir,comparaHvamente grandes canHdades de materialcelulardefinido.
TIEMPODERETENCIÓNHIDRÁULICA• En el quimiostato idealmente el mezclado debe serperfecto, es decir que cuando una gota del medioentre al reactor instantáneamente deberá quedaruniformementedistribuidaenelculHvo.
• Esto significa, en la prácHca, que el Hempo requeridopara mezclar un pequeño volumen del medio con elculHvo será también pequeño comparado con elHempoderetención.
• Tiempo de retención hidráulico (TRH): es el Hempoquetardaenrenovarsetodoelvolumendelreactor.
TASADEDILUCIÓN
• EnculHvoconHnuosedenominaTasadedilución(D)alaentradadelmedioaunaconcentraciónS0yaunflujovolumétricoconstante,F,dividaporelvolumendelculHvo(células,medio,gas).
• Latasadediluciónrepresentalatasadeflujoporunidaddevolumen.
RELACIÓNTRH,Dyμ
• El Hempo de retención hidráulico es inversamenteproporcionalconlatasadediluciónporloque:
Conceptosimportantesparalasreacciones
• NS0=númerodemolesiniciales• NS=númerodemoles• XS=Conversión,fraccióndereactantetransformado
ExpresadaentérminosdemolesXsresulta:
0≤XS≤1
0(significaquenadahareaccionado).1(significaquetodosehatransformado).t½=Hempoparaconsumirel50%delreactanteCs.
ExpresadaentérminosdeconcentracionesXsresulta:
Cambiodevolumenconelavancedelareacción.V=V0(1+εsXS)Vo=volumeninicialεsXs=factordevolumenentreelV0yelVenfuncióndeXSXS:avancedeLareacciónPara lamayoríade la reaccionesbiológicasenmedioacuosola densidad (ρ) es constante por lo que el volumen esconstante.Eneltratamientobiológicodegasespodríahabercambiodevolumen.
Conceptosimportantesparalosreactoresdeflujo
• FlujodemolesdeSlaunidaddeHempo(FS,FS0)
• FlujovolumétricoporunidaddeHempo(vf,v0)
• CS0=concentracióndeSenlaalimentación
€
FS =moles de S alimentados
tτ =
Vv0
=VCS0
FS0
€
v =m3 de fluido que entran al reactor
tτ =
VCS0
FSO=m3moles m3
moles t=[ ]t
TiempodeResidenciaHidraúlica.IndicaelHempopromedioquepermaneceun elemento de volumen (goHta) en elreactor.
Fincapítulo1