reactores bioquimicos

CAPITULO I:

INTRODUCCION A LOS PROCESOS INDUSTRIALES DE FERMENTACION

Enzimas libres de clulas

Las enzimas pueden recuperarse de los microorganismos, inducindolos a un estimulo qumico apropiado.Enzima Medio nutriente

TABLA 1.1. Usos industriales de enzimas libres de clulas.CLASE DE ENZIMA REACCION BIOQUIMICA USO INDUSTRIAL

PROTEASAHIROLISIS DE PROTEINA

Preparacin de alimentos y productos lcteos. Aditivo para jabn en polvo. Ablandadores de carnes. Extraccin de aceite de pescado.

AMILASA PECTINASA

HIDRLISIS DE ALMIDON

Produccin de jarabes de glucosa. Clarificacin de zumos de frutas.

HIDRLISIS DE LA PECTINA

TABLA 1.2. Tiempos de duplicacin tpicos para microorganismos.MICROORGANISMO TIEMPO DE DUPLICACION (HORAS)

Bacterias, mohos y levaduras

0.3 2

Algas

2 - 50

TABLA 1.3. Productos metablicos obtenidos a partir de hidrocarburos como sustratos.SUSTRATO n-alcanos Mezcla de n-alcanos Mezcla de n-alcanos (C12 C14) Ac. Carboxlico dibasico n-hexadecano Hidrocarburos Naftaleno Propano-1,2-diol Tolueno PRODUCTOL-citrulina Vitaminas: grupo B Carotenoides Coenzima Q Acido L-glutmico Citocromo C L-triptofano Acido saliclico Acido lctico Antibitico: pirrolnitrina

TABLA 1.4. Fuentes de alimento microbiano.COMPOSICION (% PESO SECO)

BACTERIAS

LEVADURAS

ALGAS

PROTEINAS CARBOHIDRATOS GRASAS MINERALES

62 73

54 26

50 20 20

10

10 15 6 - 12

10

7

10

Sulfuros mineralesOXIDACION Minerales de azufre

Bacteria auttrofa

Facultativas

FUENTE CARBONO CO2 atmosfrico

TABLA 1.5. Sulfuros minerales tratables por lixiviacin microbianaArsenopirita (FeAsS) Calcosita (Cu2S) Calcopirita (CuFeS2) Covelita (CuS) Esfalerita (ZnS) Galena (PbS) Milerita (NiS) Molibdenita (MoS2) Tetrahedrita (Cu2Sb2S7)

CAPITULO II:

PRINCIPALES TIPOS DE FERMENTADORES

FERMENTADORES1. 2.

3. 4.

FERMENTADOR INTERMITENTE (FI); BATCH FERMENTER (BF) FERMENTADOR CONTINUO DE TANQUE AGITADO (FCTA); CONTINUOS STIRREDTANK FERMENTER (CSTF) FERMENTADOR TUBULAR (FT); TUBULAR FERMENTER (TF) FERMENTADOR DE LECHO FLUIDIZADO (FLF); FLUIDISED BED FERMENTER (FBF)

FERMENTADOR INTERMITENTE (FI)Desarrollo Del cultivo 1 Medio estril solidificado por adicin de agar

Incubacin

2

Inoculo

Fermentador 3 De siembra

5 200 litros

Fermentador De Produccin industrial

4

FERMENTADOR INTERMITENTE (FI) O BATCH FERMENTER (BF)

BATCH

FED-BATCH

FERMENTADOR CONTINUO DE TANQUE AGITADO (FCTA)

Estado estacionario. Caudal de alimento al fermentador. Reactores en serie.

FERMENTADOR TUBULAR (FT) O TUBULAR FERMENTER (TF)

Masa microbiana:

Suspendida libre.(Flculos)

Adherida alfermentador.(pelcula microbiana)

TABLA 2.1 Evolucin de la concentracin en los fermentadoresFERMENTADOR Dependencia con el tiempo de las [] de sustrato, masa microbiana y producto bioqumica Dependiente Independiente variacin de las [] de substrato y producto bioqumica con la posicin Completamente mezclado (ideal) Completamente mezclado (ideal) Varia desde la entrada hasta la salida variacin de la [] de masa microbiana con la posicin Completamente mezclado (ideal) Completamente mezclado (ideal) Varia desde la entrada hasta la salida Evolucin del medio en que se encuentra la masa microbiana Varia a lo largo de la fermentacin Constante Varia segn ascienden los flculos por el fermentador

Intermitente FCTA

FT que contiene flculos microbianos

Independiente

FT que contiene pelculas microbianas

Independiente en general, aunque pueden producir pequeas acumulaciones de la pelcula microbiana

Varia desde la entrada hasta la salida

En general independiente de la posicin

Constante

Fermentador de lecho fluidizado (FLF)

Independiente



Constante en general, aunque tiene lugar algn movimiento de flculos

TABLA 2.2. Caractersticas del funcionamiento de los fermentadoresFERMENTADOR Control de pH Control de la temperatura Caractersticas de importancia industrial Principales aplicaciones industriales La mayor parte de las fermentacione s industriales Depuracin de aguas residuales; produccin de protenas microbianas

Intermitente

Es posible

Es posible

Mucha mano de obra

FCTA

Es posible

Es posible

Caudal limitado por el arrastre

FT que contiene flculos microbianos

Difcil de controlar salvo con gran recirculacin

Es posible

Requiere una alimentacin constante de microorganismos Difcil de controlar la retencion de microorganismos dentro del fermentador Caudal limitado por el arrastre Depuracin de aguas residuales; produccin de vinagre Produccin de sidra y cerveza

FT que contiene pelculas microbianas Fermentador de lecho fluidizado (FLF)

Difcil de controlar

Es posible

Difcil de controlar

Es posible

CAPITULO III:

CINETICA DE LA INGENIERIA BIOQUIMICA

3.1 INTRODUCCIONLas razones por las que los procesos continuos son adoptados en la mayoria de operaciones a gran escala son:1. 2. 3. 4.

5. 6.

Disminucin de la mano de obra Facilidad de aplicacin de un control automatizado Mayor regularidad en las condiciones de trabajo del fermentador Todos los microorganismos estn expuestos a las mismas condiciones ambientales, factor que conduce a reducir la obtencin de sub-productos Existen productos que solo se pueden producir en cantidad por operacin continua bajo condiciones bien definidas Se da un consumo regular de los servicios requeridos por el proceso, por ejemplo: aire y vapor de agua.

3.2 FACTORES IMPLICADOS EN EL DISEO DE UN FERMENTADOR

Aunque el diseo de un fermentador en el que deben conseguirse una conversin y una produccin dadas no es sencillo, el procedimiento a seguir puede descomponerse en varias etapas: La seleccin de una cepa apropiada; pH y temperatura en el que pueden desarrollarse; aerobicidad requerida y el efecto probable de la contaminacin. La seleccin del tipo de fermentador apropiado. Determinar las dimensiones del fermentador; las variables de operacin, principalmente concentraciones, temperaturas y pH, asi como el tiempo de residencia para fermentadores discontinuos y caudal para fermentacin continua. El dimensionamiento de la superficie de transferencia de calor y los dispositivos de mezclado requeridos. Las necesidades de potencia y aireacin. El diseo mecnico, la seleccin del material de construccin, y si se requiere, dispositivos para el mantenimiento de condiciones aspticas. Servicios o instalaciones de manipulacin y control. Factores de seguridad.

1. 2. 3.

4. 5. 6. 7. 8.

3.3 ECUACIONES DE DISEO DE UN FERMENTADOR

1.

2.

En principio el rendimiento de un fermentador puede predecirse si se conoce: Las caractersticas cinticas de los componentes reaccionantes y la influencia de las variables de operacin (temperatura, presin y pH). Las restricciones impuestas por la configuracin del fermentador (tipo, geometra, etc.).

3.3.1 Balances Diferencial Para Un Fermentador Flujo Pistn (FFP)xN A FA ( FA xFA ) rAxV ! xt

xx

r xV

0V xC A ! K1 CA V CA Ln CA 0

( r ) xV

xF A ! (rA ) xVFA ! C A V p xFA ! V (xC A )

xC A V ! xV ( rA )

! K1 (X )

( rA ) ! K 1C A

CA ! e K1 (X ) C A0

3.3.2 PERFIL DE CONCENTRACION AXIAL EN UN PFR[ ] DE SUSTRATO vs. DISTANCIA AXIAL DEL REACTOR 25

20 [ ] de sustrato

C Ln A CA 0 C Ln A CA 0 C Ln A CA 0

! K1 (X ) ! K1 ( V ) p V ! A.z * V ! K1 ( A.z ) * V K1 ( A. z*

5

0

)

C A ! C A0 .e5

V

0 2 3 4 5 Distancia axial a lo largo del fermentador (z) 6

3.4 VELOCIDAD DE REACCION

ECUACIONES DE CAPA LIMITEEn estado estacionario la cintica de la partcula puede describirse igualando la transferencia por difusin de los reactantes a travs de la capa lmite con el consumo de sustrato por la partcula biolgica. As:

SI : u p g ;

p

p CONSTANTE

ECUACIONES DE CAPA LIMITER p ! h. Ap (C L C * ) ! N . APC L : [ ] masica media del fluido o [ ] del reactante en el fluido Masa del sustrato reaccionante RP : Velocidad global de rx. para una particula unica tiempo u : Velocidad del fluido relativa a la particula C * : [ ] de sustrato junto a la superficie de la particula h : Coeficiente de transferencia de masa N : Cinetica de la reaccion Ap : Area superficial de una particula K (1) : Coeficiente de velocidadRegin donde la [ ] del sustrato varia con Y Y

Partcula biolgica

ECUACIONES DE CAPA LIMITER p ! h. Ap (C L C * ) ! N . APDespejamos

C*

(suponiendo

N ! K (1) C * es de primer orden):

R

p

! K

(1 )

.A

p

.C

L

h. A p (C L C * ) ! N . AP

h(C L C * ) ! K (1) C *h.C L h.C ! K (1) Ch.C L ! C * ( K (1) h) h .C L C ! (K h) (1 ) *

*

*

1 1 . R p ! A p .C L h K (1) :

1

K ('1)

1 1 ! h K (1) 1

1

K (1) h . R p ! A p .C L h.K (1)

1

1 1 . A p .C L Rp ! h K (1) h.K (1) . R p ! . A p .C L ( K h) (1)

Reemplazamos

C * en R p ! h. A p (C L C * ) K (1) . R p ! h. A p C L ( K h) (1)

h .C ) ! h. A p (C L Rp ( K h) L (1)

ECUACIONES LIMITANTE DE LA VELOCIDAD

Tenemos que en:

K

' (1)

Si:

1 1 ! h K (1)

1

h

K (1) K (1) ! h

R p ! h. A p .C L

por lo cual la etapa controlante es la difusin. Si:

K (1)

h K (1) ! K (1)

R p ! K (1) . Ap .C L

por lo cual la etapa controlante es la reaccin.

CAPITULO IV:

LA ECUACION DE VELOCIDAD BIOLOGICA (EVB)

LA ECUACION DE VELOCIDAD BIOLOGICA1.

Velocidad de fermentador

reaccin

por

unidad

de

volumen

del

Rf asa convertida Rf ! V f (volumen del ermentador)(tiempo) 2.

Velocidad de reaccin por unidad de volumen de liquido

Donde:

R 'f Masa convertida RV ! V (volumen de liquido)(tiempo) V f : olumen del ermentador. V : olumen ocupado por el liquido.

LA ECUACION DE VELOCIDAD BIOLOGICA

En la mayora de fermentadores:

Vf " V

Los microorganismos se presentan dentro de un fermentador como:

Flculos. (La concentracin microbiana depende de la velocidad de crecimiento y del grado de agitacin del fluido). Pelcula adherida a una superficie de soporte. (El rea de la superficie de soporte y en algn grado el espesor de la pelcula pueden elegirse arbitrariamente).

Es mejor expresar la velocidad de reaccin en base a la unidad de masa microbiana para flculos suspendidos y unidad de rea de superficie de soporte para pelculas microbianas para obtener una velocidad de reaccin intensiva.

LA ECUACION DE VELOCIDAD BIOLOGICAPARA FLOCULOS

R Masa convertida f R! ! M M .V f (Area de la superficie de soporte)(t iempo) PARA PELICULAS

R'

N !

Rf AS

f asa convertida ! A S .V ( asa microbiana )(tiempo)

R

R : Velocidad intensiva de reaccion para floculos. N : Velocidad intensiva de reaccion para peliculas. M : Concentracion de masa microbiana. A S : Area de superficie soporte. V : Volumen del liquido.

LA ECUACION DE VELOCIDAD BIOLOGICAEl movimiento de molculas en la regin lmite se puede producir por alguno de los 2 mecanismos siguientes: 1) Ley de pick (proceso de difusin molecular)

dC N d ! Dm dr

N d : elocidad de transporte por unidad de area de la region que nos interesa. Dm : oe iciente de di usion de la especie transportada. dC dr : radiente de concentracion.

LA ECUACION DE VELOCIDAD BIOLOGICA2)Transporte por permeasa (describe el transporte activo y pasivo) Son molculas transportadoras estereotipadas (especificas con la conformacion geometrica). Este mecanismo de transporte experimentalmente obedece a la ecuacin:

Np !

E pC ' Fp C'

(Ecuacin de michaelis-menten, isoterma de adsorcion de langmuir, ecuacin que describe la cinetica de saturacion)

N d : elocidad de transport e por unidad de area de la region implicada. C : oncentrac ion de sustrato externa a la region de permeasa. E p y F p : oe icient es (-2

T -1 Y

-3

respectivamente).


En estado estacionario el flujo de sustrato a travs de cada una de las sucesivas zonas de transporte es igual a la velocidad de consumo en la zona metablica, es decir: dC a m Dm dr E pC ' E R C '' ! ap ! VR ' F C '' F C R p

am

a m : rea de la super icie externa de un microorganismo " modelo". a : rea externa de la zona de la " permeasa" : olumen de la region metabolica.


La figura 4.1 representa el mismo organismo expuesto simultneamente a dos sustratos diferentes. Para sustratos no afectados por transporte por permeasa:

dC a m Dm dr

am

V R E R C '' ! a a R ( F R C '' ) R

Para sustratos afectados por transporte por permeasa: La velocidad de consumo de sustrato esta totalmente determinada por los procesos de transporte, siempre que V RE R u a PE P '

Dm dC am dr

E C ! ap p ' F C am p

Figura 4.1 Modelo para un microorganismo nicoRegin metablica CRegin metablica C

Zona permeasa

rp

rR

rm

C

rRC*

rmC* Zona de difusin

Zona de difusin Transporte por PERMEASA Ausencia de transporte por PERMEASA

4.11 Ecuacin De Velocidad Para Un Microorganismo nico

En el estado estacionario la transferencia por difusin a travs de una zona de transporte molecular que consista en un entorno esfrico es una constante (Ac), es decir:

4T r 2 ( N d ) ! Ac4T r 2 ( Dm dC ) ! Ac dr

Ac 1 C ! 4TD r Bc m

Donde Bc en una constante de integracin

reactores bioquimicos

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