Sistemas de aireacin, agitacin, transferencia de calor y transferencia demasa de un biorreactor para satisfacer Produccin de goma de Xantano

para encapsulacin, a partir de Xanthomonas campestris, utilizando cscarade pia.

INTRODUCCIN

En fermentadores, las propiedades del fluido afectan los requerimientos energticos delproceso y la eficacia de mezclado, los cuales pueden tener una influencia importante sobrela productividad y el xito del escalamiento de equipo. Se debe examinar elcomportamiento del fluido cerca de las superficies e interfaces ya que todas estascaractersticas presentan muchos cambios en el diseo de los bioprocesos.

Para una determinada velocidad de agitacin, la potencia necesaria depende de laresistencia ofrecida por el fluido a la rotacin del rodete. Adems de Las caractersticasfisicoqumicas del medio a agitar as como el tipo de impulsor empleado en el tanqueagitado.

Debido a ello y conociendo las caractersticas del medio de cultivo de Xanthomonascampestris as como las condiciones en que el crecimiento de esta cepa es viable, sellevarn a cabo los clculos de potencia de agitacin as como de parmetros detransferencia de masa y de calor.

Potencia de agitacin

Para poder calcular la potencia de agitacin, primero hay que determinar las dimensionesde nuestro biorreactor tanque agitado, para este clculo partiremos de un volumen deltanque de 15 L (0.015 m3), como lo menciona la bibliografa un biorreactor nunca se utilizaa su mxima capacidad de volumen, por lo tanto el volumen de operacin ser del 80% delvolumen total del tanque (12 L= 0.012 m3).

El biorreactor tanque agitado ser diseado con turbinas tipo Rushton, por lo tanto DT=HL,donde DT es el dimetro total del tanque y HL altura del medio en el biorreactor. Por lotanto:

V= (DT

2 )(H L)4

Sustituyendo DT=HL:

V= (DT

2 )(DT)4

V= (DT

3 )4

Despejando DT:

DT=3 4 (V )

DT=3 4 (0.012m3)

DT=0.248m

Una vez obtenido el dimetro total del tanque se puede determinar el dimetro de laturbina con la relacin:

Di=DT3

Di=0.248m

3

Di=0.082m

Por lo tanto:

H i=0.082m

Con las dimensiones del biorreactor calculadas y establecidas se procede a calcular lapotencia de agitacin. De la bibliografa se obtuvieron datos como: N i, , y vvm. SegnSierra, Zapata y Enid (2008), para un cultivo en suspensin de Xanthomonas campestris, la= 1200 Kg/m3, Ni= 140 rpm (2.33 rps) y a= 1.12 cps (1.12x10-3 Kg/m*s), vvm=Fg= 0.651/min (0.0108 1/s).

Para estimar el Np, se determina el nmero de Re con la siguiente ecuacin:

=N iDi

2a

=(2.33 rps )(0.082m)2(1200 Kg

m3)

1.12 x 103 Kgms

= 16785.98

Por lo tanto a una velocidad de 140 rpm, el comportamiento del fluido en el tanque sevuelve turbulento y el nmero de potencia (Np) tiende a la estabilidad en un valoraproximado a:

N p=5

(Doran, 1995)

Con el valor del nmero de potencia, podemos calcular la potencia de agitacin sinaireacin, a partir de la siguiente ecuacin.

P=N p N i3Di

5

P=(5 ) (2.33 rps )3 (0.082m )5(1200 Kgm3

)

P=0.281W

Una vez obtenida la potencia sin aireacin, podemos estimar la potencia con aireacinpartiendo de la siguiente ecuacin:

PgP=0.10(

FgN iV

)0.25

(N i

2Di4

gW iV23

)0.20

(Doran, 1995)

Donde:

Pg= Consumo de potencia con aireacin. P= Consumo de potencia sin aireacin. Fg= Caudal volumtrico de aire. Ni= Velocidad de la agitacin. V= Volumen del lquido. Di= Dimetro de la turbina. g= Gravedad Wi= Anchura de la pala de la turbina.

Para nuestro biorreactor, donde estamos utilizando una turbina Rushton, encontramos larelacin entre la anchura de la pala de la turbina y el dimetro de la turbina:

W iD i

=0.2

(Doran, 1995)

Con esto podemos calcular la anchura de la pala de la turbina, haciendo el siguientedespeje:

W i=0.2Di=0.2 (0.082m )

W i=0.0164m

Posteriormente despajamos la Pg:

Pg=0.10( FgN iV )0.25

( N i2Di

4

gW iV23 )

0.20

(P)

Pg=0.10( 0.0108 s1

(2.33 rps ) (0.012m3 ) )0.25

( (2.33 rps )2 (0.082m )4

(9.81ms2 ) (0.0164m ) (0.012m3 )23 )

0.20

(0.281W )

Pg=0.072W

Sabemos que este resultado est bien, ya que Doran (1995), menciona que la potencia conaireacin disminuye como poco a la mitad del valor sin aireacin, dependiendo del caudalde gas.

BIBLIOGRAFA

Doran, Pauline M. 1995. Bioprocess Engineering Principles. Academic Press. 7:155-160. Sierra Tobn, Ricardo A.; Zapata Arcila, Jose D.; Enid Ramrez, Margarita. 2008.

PRODUCCIN DE GOMA DE XANTANO EMPLEANDO CSCARA DE PIA.Universidad Pontificia Bolivariana, Facultad de Ingeniera Qumica. Cq. 1 #70-01, of.11-8, Medelln, Colombia.