AIREACIN Y AGITACIN EN FERMENTADORES

M.C. RICARDO TALAMS A.DR. RUBN MRQUEZ M.DR. ARMANDO QUINTERO R.

AIREACIN Y AGITACIN EN FERMENTADORES

RESUMEN : 1.Conceptos de transferencia de masa a travs de diferentes fases utilizando el oxgeno como ejemplo. 2.Demanda de oxgeno y respiracin 3.Factores que influencian la transferencia de masa a travs de la interfase gas\lquido 4.Kla determinacin , factores que tienen influencia. 5.Consumo de energa

IntroduccinLa demanda de oxgeno de un proceso industrial es generalmente satisfecha por la aireacin y por la agitacin.

La productividad es limitada por la disponibilidad de oxgeno y por lo tanto es importante tomar en cuenta los factores que afectan la eficiencia del fermentador en el suministro de O2

Esta presentacin considera los requerimientos de O2 , la cuantificacin de la transferencia de O2 y los factores que tienen influencia en la transferencia de O2 dentro de la solucin.

1.1. TRANSFERENCIA DE MASA Y FASES1.1.1 Diferentes fases presentes Introduccin

Un concepto importante en la tecnologa de la fermentacin, es la transferencia de materiales ( nutrientes, productos, gases etc.) a travs de las diferentes fases presentes en el sistema ( gas dentro del lquido).

El mayor problema asociado es la provisin de oxgeno a la clula - es la etapa limitante del proceso y por lo tanto nos sirve como un sistema modelo para comprender la transferencia de materia.

La velocidad de transferencia de materia = fuerza impulsora/resistancia. La resistencia a la transferencia de masa del medio al microorganismo es muy compleja y se pueden presentar;Difusin del seno del gas a la interfase gas/lquido Disolucin del gas en la interfase lquidaDifusin del gas disuelto en el seno del lquido Transporte del gas disuelto a la clula Difusin a travs de la regin esttica del lquido que rodea a la clula lDifusin dentro de la clulaConsumo por el organismo (depende de la cintica de crecimiento/respiracin)

El siguiente diagrama sirve para ilustrar las diferentes fases y el material que son relevantes en el proceso de transporte general asociado con la tecnologa de la fermentacin; Productos en aguaGases dispersadosNutrientes disueltosNutrientes y slidos inmiscibles en el lquidoClulasFlculosTRANSFERENCIA DE MASA

Fases presentes en una biorreaccin/biorreactor1 = suministro de substratos y su utilizacin 2 = remocin y formacin del producto Fase no acuosaFase acuosa Fase slidaSubstratos y productos/disueltos (Substratos/productos)ReaccinClulasOrganlosEnzimasAzcaresMinerales(partculas de substrato)/ Gases (O 2, , CO2, CH4 etc)Lquidos ( aceites)AzcaresSolidosMineralesEnzimas......... 1 2 ..........

Uno de los factores crticos en la operacin de un fermentador es el suministro adecuado del intercambio de gases.

La mayor parte de los procesos industriales son aerbicos.

El Oxgeno is es el substrato gaseoso mas importante para el metabolismo microbiano, y el dixido de carbono es el producto metabolico gaseoso mas importante.

Transferencia de masa

Para que el oxgeno sea transferido desde la burbuja de aire a un microorganismo individual, algunas resistencias parciales independientes deben ser vencidas.

Etapas en la transferencia de oxgeno en el fermentador

1) Fase gaseosa dentro de la burbuja2) Interfase gas-lquido3) Film lquido alrededor de la burbuja 4) Fase lquida del medio de cultivo5) Film lquido alrededor de las clulas microbianas 6) Interfase clula - lquido7) Resistencia a la transferencia de oxgeno intracelular

Estequiometra de la respiracinConsiderando la estequiometra de la respiracin la oxidacin de la glucosa puede ser representada por;C6H12O6 + 6O2=6H2O + 6CO2Peso atmico CarbonoHidrgenoOxgeno12116Peso molecular de la glucosa es 180Cuntos gramos de oxgeno se requieren para oxidar 180g de glucosa?Respuesta 192g

Solubilidad del OxgenoAmbos componentes, oxgeno y glucosa deben estar en solucin con el fin de que puedan estar disponibles para los microorganismos. El oxgeno es 6000 veces menos soluble en agua, comparado con la glucosa. Una solucin saturada con oxgeno contiene nicamente 10mg/l de oxgeno. Es imposible agregar suficiente oxgeno a un cultivo microbianoImpossible para satisfacer las necesidades de una respiracin completa. El oxgeno debe ser agregado durante el crecimiento a una velocidad suficiente para satisfacer los requerimientos.

Comparacin de concentracin y velocidades de absorcin para glucosa y oxgeno por levadurasLimitantes encontradas en el transporte de oxgeno pueden ser ilustradas, comparando el transporte de glucosa vs el de oxgeno;

1% Azcar (glucosa)Liq. O2 sat @ 25oCConc. en el lquido10,000 ppmaprox. 7 ppmConc. crtica 100 ppm0.8 ppm(no crecimiento)Vel. demanda2.8 mmoles/g clulas/h7.7 mmoles/ g cells /h

1.1.2. TRANSFERENCIA DE MASA y RESPIRACIN(a) Balance de materia

Estequiometra de respiracin (glucosa);

C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6 CO2

Oxidacin de180 gms Glucosa requiere 192 gms O2

Comparar con un hidrocarburo ( 6 CH2)

Los requerimientos de oxgeno de las fermentaciones industriales La demanda de Oxgeno depende del grado de conversin de Carbono (C) a biomasa

La estequiometra de la conversin de oxgeno, carbono y nitrgeno en biomasa ha sido elucidada

Se utilizan relaciones para predecir la demanda de oxgeno en una fermentacin

Darlington (1964) expres la composicin de 100g de levadura seca como:C 3.92 H 6.5 O 1.94

Requerimientos de oxgeno 6.67CH2O + 2.1O2 = C 3.92 H 6.5 O 1.94 + 2.75CO2 + 3.42H2O

7.14CH2 + 6.135O2 = C 3.92 H 6.5 O 1.94 + 3.22CO2 + 3.89H2O

Dnde: CH2 = hidrocarburoCH2O = carbohidrato

De las ecuaciones de arriba podemos observar que para producir 100g de levadura a partir de hidrocarburos se requiere tres veces mas cantidad de oxgeno, que con carbohidratos.

Comparar solubilidad de Oxgeno vs Glucosa ( p.ej. oxgeno = 9.0 mg/l @ 20oC, 11.3 mg/l @ 10oC)

Por lo tanto debemos considerar;El requerimiento de oxgeno en procesos biotecnolgicos

La cuantificacin de la transferencia de oxgeno ( para evitar que esta sea una etapa limitante) muy importante

Factores que influyen en la velocidad de transferencia de materia (p. ej. viscosidad)

(b) CONCENTRACIN DE OXGENO vs VELOCIDAD DE RESPIRACIN (velocidad de crecimiento) El efecto del oxgeno disuelto en la velocidad especfica de consumo (p.ej. respiracin crecimiento ) es descrita por;

Relacines tipo Michaelis Menten Monod.

Velocidad de Respiracin (QO2) = QO2 max . O2 conc. / ( Ks + O2 conc.)

= max. C/ (Ks + C) dnde C = conc. Oxgeno

QO2 = mmoles de oxgeno consumido por gramo de peso seco

Concentration de oxigeno disuelto

QO2CcrticaEfecto de la concentracin de O2 disuelto en la QO2 de un microorganismoConsumo epecfico de O2 se incrementa con el incremento en los niveles en el oxgeno disuelto O2 hasta un cierto punto crtico Ccrit

Niveles de oxgeno disuelto crtico para varios microorganismosOrganismoTemperaturaConcentracin crtica Oxygen oC oxgeno disuelto(mmoles m -3)Azotobacter sp.300.018

E. coli370.008

Saccharomyces sp.300.004

Penicillium chrysogenum240.022

Azotobacter vinelandii , es una bacteria del suelo, aerobia, que tiene una de las tasas ms altas respiratorias conocidas entre los organismos vivos

Niveles crticos de oxgeno disueltoPara maximizar la produccin de biomasa se debe satisfacer la demanda especfica de los microorganismos manteniendo los niveles de O2 disuelto por encima del nivel crtico Ccrtico

La clulas sern metablicamente perturbadas si el nivel de O2 cae por debajo de la Ccrtica

En algunos casos sta perturbacin metablica puede ser conveniente

Los niveles de O2 disuelto pueden promover la produccin de metabolitos

Biosntesis de Amino cidos por Brevibacterium flavum

Sntesis de Cefalosporina por Cephalosporium sp.

5.1.3. FACTORES QUE AFECTAN LA DEMANDA DE OXGENO

Velocidad de respiracin celular

Tipo de respiracin (aerbica vs anaerbica)

Tipo de substrato (glucosa vs metano)

Tipo de medio ambiente (p.ej. pH, temp, etc.)

O2Relacin rea superficial/ volumen clulas pequeas vs grandes (bacterias vs clulas animales) hifas, grumos, flculos, agregados, pellets

Naturaleza del rea superficial (tipo de cpsula, etc)

Difusividad del gas

FASE LQUIDA

?

?

?

?

?

?

CLULAS

Tamao de aspersor Burbujas de aire Composicin del gas, volumen y velocidadDiseo del impulsortamao, No. de hojasVelocidad rpmBafles (Contrapaletas)ancho, nmero5.1.4.FACTORES QUE INFLUYEN EN EL SUMINISTRO DE OXGENOEspuma/antiespumante

Temperatura

Tipo de lquido

Relacin Altura/dimetro

Hold up (Tiempo de residencia de burbujas)5.1.4 (a) Factores de proceso

5.1.4(b) Transferencia a travs de la interfase (Kla)Ci = O2 conc en la interfaseCL = O2 conc en lquidoPg = Presin parcial del gasPi = Presin parcial en la interfase

Burbuja Film Film de Gas gas lquido

Pg Pi (1/k2) Ci (1/k4)

(1/k1) (1/k3) CLFase lquida

Transferencia de materia total (Teora de Whitman )dC/dt = kg (Pg - Pi) = KL (Ci - CL) (Fuerza impulsora) (Resistencia)

Nota kg = 1/k1 + 1/k2, KL = 1/k3 + 1/k4

Utilizar conc. en lugar de presin parcial (medir?)

dC/dt = KL (Csat - CL) ......asumir que la Csat substituye a la Ci (medir?)Esto es por unidad de la interfase!

Transferencia total es dC/dt = KLa( Csat - CL)

5.1.4. (c) Determinacin de KLaDeterminacin del KLa en un fermentador es importante para establecer la eficiencia de la aireacin y cuantificar los efectos de las variables de operacin en el suministro de oxgeno.

Utilizada para comparar equipos de fermentacin (fermentadores) antes del escalamiento hacia arriba o escalamiento hacia abajo.

Existen varios mtodos para determinarlo.

5.1.4.(c) Determinacin del KLa(1) El mtodo del Sulfito.Mide la velocidad de conversin de una solucin 0.5m de sulfito de sodio a sulfato de sodio en presencia de cobre o cobalto como catalizadores

Na2SO3 + 1/2 O2 Na2SO4

La oxidacin del sulfito es equivalente a la velocidad de transferenciade oxgenoDesventajas:a) lento, b) es afectado por agentes de superficie activac) Reologa dela solucin es muy diferente al medio real Cu++ Co++

5.1.4.(c) Determinacin del KLa(2) Tcnicas de eliminacin de gasLa estimacin del KLa por eliminacin de gases incluye la determinacin del incremento del O2 disuelto en una solucin durante la aireacin y la agitacin.

La velocidad de transferencia de oxgeno (OTR) decrecer con el perido de aireacin en la medida que la CL se aproxima a la CSAT debido a una disminucin que resulta de la disminucn en la fuerza impulsora (CSAT - CL)

La OTR en un tiempo determinado ser igual a la pendiente de la tangente de la curva de la concentracin de O2 disuelto contra el tiempo de aireacin

Incremento en la concentracin de O2 disuelto de una solucin en funcin del perdo de agitacin

XYTiempoConcentracinde OxgenodisueltoLa OTR en un tiempo X es igual a la pendiente de la tangente del punto Y

5.1.4.(c) Determinacin del KLa;

(2) Tcnicas de desgasado:Incluyen un descenso inicial en el valor del oxgeno a un nivel mnimo (a) Mtodo esttico La concentracin de O2 en la solucin es disminuda agregando N2 lquido El lquido desoxgenado es entonces aireado, agitado y el incremento del O2 disuelto es monitoreado con el electrodo de oxgeno Mtodo rpido 15 mins Se utiliza el medio de frementacin Se requiere un electrodo de membrana, el cual no tiene un tiempo de respuesta rpido que se requerira para medir cambios en tiempo real en la velocidad de oxigenacin. La principal desventaja a escala industrial es la cantidad de N2 requerida, adems las mediciones de un solo punto no son representativas del volumen total del medio

5.1.4.(c) Determinacin del KLa(b) Mtodo Dinmico ; Consiste en la determinacin de los niveles de oxgeno en un cultivo de clulas creciendo en un fermentador.

Utiliza el crecimiento de clulas para reducir los niveles de O2 .

Se deben utilizar algunos factores de correccin.

La pendiente AB es la medida de la velocidad de respiracin.

En BC se observa un incremento en el oxgeno disuelto que representa la diferencia entre la transferencia de oxgeno en la solucin y su consumo por el cultivo.

XBACTiempoConcentracinde Oxgenodisuelto Desgasamiento dinmico para la determinacin del Kla. Aireacin termina en el punto A y recomienza en el punto B Pendiente AB nos d RX( Vel. de Respiracin)

Pendiente BC nos da dC/dt

Mtodo Dinmico Expresado co la ecuacin:

dC/dt = Kla (Csat - CL) - RX R = velocidad de respiracin (mmoles of O2 g-1 biomasa h-1), X = concentracin de biomasa

Se cierra el suministro de aire, monitorear el O2 disuelto

dC/dt = - RX ... La pendiente de la lnea nos d RX

Reanudar la aireacin y monitorear ,El tiempo de suministro se determina (pendiente + substituir el valor calculado RX)

dC/dt = KLa (Csat - CL) - RX (pend. BC) (resolver) (Literatura) (Observado)(pend. AB)

Mtodo Dinmico VentajasSe puede determinar KLa durante la fermentacin realTcnica rpida Se puede utilizar un electrodo de membrana para oxgeno disueltoLimitantesPueden ser estudiados niveles de oxgeno disuelto en un rango limitado.No debe permitir que los niveles de oxgeno sean inferiores a CcritDifcil aplicar la tcnica durante una fermentacin con una alta demanda de oxgenoSe basa en las mediciones tomadas en un solo punto

5.1.4.(d) FACTORES QUE AFECTAN EL TAMAO DE BURBUJA (a) Influencia de la velocidad del gas en la formacin de la burbuja :

lenta mediarpida

..

..

::

:::

..

...

::

::

..

.

.

bajo

medio

alto

Retromezclado

pequeo

retromezclado

Flujo denso

b) Influencia de las propiedades del lquido en las burbujas;

Lquido puede cambiar de A B cuando se agregan sales.Esto tiene implicaciones en la transferencia de materia en diferentes medios. Esta propiedad de los lquidos influye en el Kla - por qu?

Dos tipos de lquidos

A

B burbujas coalescen

A

B

Mismo equipo de aireacin

B existir un rango amplio de tamaos de burbuja

5.1.4.(e) HOLD-UP (Tiempo de residencia del gas) Representa el volumen de aire retenido en el lquidoVh = V - V0Dnde Vh = volumen hold-up , V = vol. lquido sin gas, V0 = vol. de lquido sin gas.

No air

Air

Diferencia en volumen representa el volumen hold-up

Cantidad de gas retenido en el quido

Correlaciones que se utilizan para relacionar el hold-up con el consumo de energa , por ejemplo,

(P/V)0.4 . Vb 0.5

P/V = consumo de potencia por unidad de vol. de lquido sin gas, Vb = velocidad lineal de la burbuja de aire (velocidad ascendente ).

Velocidad ascendente de la burbuja (Vb):

Vb = FHl/H0V

Dnde H0 = hold-up de la burbuja, F = velocidad de aireacin, Hl = altura del lquido, V = volumen del lquido .

Cmo debe variar altura (h) de un reactor en relacin al radio (r) cuando el volumen se mantiene constante?volumen del cilindro es v = r 2 h Si fijamos el volumen como 1, entonces:h = 1/ r 2Si r = 1 entonces h = 1/ r = 2 entonces h = 1/4 r = 3 entonces h = 1/9

Por tanto, como el radio aumenta, la altura ( longitud ) disminuye en relacin al cuadrado del radio

5.1.4.(f) ECONOMA DE LA TRANSFERENCIA DE OXGENO Fermentacin p.ej. Penicilina - alto KLaTratamiento de desechos - economa

Kla . Csat = velocidad mxima a la cual el oxgeno puede ser disuelto.

Economa y capacidad se relacionan a travs del consumo de potencia con por unidad de volumen (P/V)

ECONOMA = KLa. Csat. / (P/V)

El balance entre la DEMANDA DE OXGENO y el SUMINISTRODebe considerar cmo los procesos pueden ser diseados de tal manera que la tasa de absorcin de O2 del cultivo no exceda la velocidad de transferencia de oxgeno del fermentador.

Tasa o vel. de absorcin = QO2.XQO2 = O2 tasa de absorcin, X = BiomassdC/dt = KLa(Csat - CL ) = velocidad de suministroLa concentracin de O2 disuelto, no debe caer por debajo de la concentracin crtica de O2 disuelto(Ccrit)

Una fermentacin tendr un valor de Kla mximo dictado por las condiciones de operacin por lo que se requiere que esta demanda sea ajustada.Lograda por: Control en la concentracin de biomasa. Control de la velocidad especfica de consumo de O2 . Combinacin de ambos.