Coeficiente volumtrico de transferencia de O2 (KLa)Alejandra BoschClaudio VogetClaudia Prieto

Baja solubilidad del O2 en agua (7 mg/l a 35C) +Los microorganismos usan solamente el O2 disuelto +El O2 es un macronutriente (10-4 M)

El O2 debe ser suministrado permanentemente tratando que las burbujas queden temporalmente retenidas en el seno del lquido para que el O2 se transfiera a la fase lquida.

Transporte de Oxgeno en un cultivo microbiano-10 g/L levaduras-1000 mg O2/Lh-Si hay 8 mg disueltos en 25 segundos los consume

Formas de suministrar O2 en un cultivo

Sistemas aireados con agitacin mecnicasin agitacin mecnica

-tanque agitado

-air lift

-erlenmeyer

1- Difusin del seno del gas a la interfase gas-lquido.2- Movimiento a travs de la interfase G-L3- Transporte convectivo en el seno del lquido4- Difusin a travs del film lquido estanco (interfase L-S)5- Transporte a travs de la membrana6- Difusin intracelular hacia el sitio de la reaccin qumica7- Transporte y reaccin qumicaGasLquido123Clula5647Burbuja de aireG-LL-SSTransferencia de oxgeno - Modelo de la pelcula o del film estancoTransporte de los compuestos en un cultivo ocurre por el movimiento del fluido y por difusin ( gradiente de concentracin)

Transferencia G-L . Modelo de la pelculaLa resistencia ms importante es atravesar la interfase G-L

Transferencia G-L . Modelo de la pelculamoles O2/rea / tiempo

- La concentracin de oxgeno CL en el seno del lquido aumenta hasta alcanzar el valor de C*, de modo que la transferencia de O2 hacia el seno del lquido (NO2) se anula cuando C*=CL,cuando se anula el gradiente.

- Para que la transferencia de oxgeno no se anule, el O2 debe ser permanentemente consumido ya sea por un microorganismo o una reaccin qumica.KLa se determina globalmente Unidades: [h-1]El valor de KLa est directamente relacionado con la eficiencia de un biorreactor para transferir oxgeno.

Transferencia G-L . Modelo de la pelculaResumiendo

FACTORES QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE O2KLa=D.a LEstado de agitacin(agitacin aireacin)

Re=(nD2 )/n=rpmD=dimetro de las paletas=densidad=viscosidadA > agitacin KLa

Antiespumantes > L La>Kla

Sustancias orgnicasPresinC*=HPO2>P >C*

Temperatura>T < C*>T >D10C-40C: predomina >D, aum. RO2>40C: predomina < C*, dismin. RO2

FACTORES QUE AFECTAN EL KL Y EL KLaAGITACION: 1- aumenta el rea de intercambio por ruptura de las burbujas aumenta rea por unidad de volumen2- Disminuye el espesor de la pelculas (L) por lo que aumenta el KL.AIREACION: aumenta el numero de burbujas aumenta el a y disminuye el L.TEMPERATURA: afecta el coeficiente de difusin y la solubilidad (cte de Henry).VISCOSIDAD: a mayor viscosidad, mayor resistencia a la transferencia (ver nmero de Reinols)TENSIACTIVOS: afectan el rea de trasferencia y el KL y el efecto global depende de la concentracin burbujas mas pequeas aumento del rea y del KLa. aumento de la resistencia de la pelcula disminuye el KL SUSTANCIAS ORGANICAS : antiespumantes: disminuyen el KLa peptonas , micelio, biomasa : disminuyen el KLa alcoholes, cetonas y esteres: aumentan el KLa

Cmo seleccionar el KLa apropiado?

-El tipo de clula: las bacterias, hongos, cl. animales crecen a distinta , por lo tanto tendrn distintas qO2.

La concentracin de biomasa final alcanzada.

La susceptibilidad de las clulas a las fuerzas de corte.

Cmo seleccionar el sistema de cultivo apropiado?

rO2 - es proporcional al crecimientoqO2 depende de la concentracin de oxigeno disuelto [O2], la edad del cultivo, fase de crecimiento (qO2 es mxima cuando es mxima, es decir durante la fase exponencial) , tipo de cultivo, etc.

CONSUMO O DEMANDA DE OXGENO (rO2) La demanda o consumo de oxgeno vara con el tiempoLa concentracin de oxgeno disuelto (CL) depende de las velocidades de transferencia y consumo

Demanda de Oxigeno: rO2 = dCL / dt = X. qO2Transferencia de Oxigeno: RO2 = dCL / dt = KLa (C* -CL)

La transferencia debe ser mayor que la demanda para evitar limitacin de oxigeno.

Cmo aumentar la transferencia de oxgeno?

1- aumentando el KLa condiciones de operacin (caudal de aire, agitacin, etc) diseo del reactor (paletas, buffles) reologa del cultivo

2- aumentando la fuerza impulsora aumentar C*

TRANSFERENCIA (RO2) - DEMANDA (rO2)

RO2= KL.a . (C* CL)Relacin entre demanda y transferencia de O2Transferencia o suministro

Cmo seleccionar el KLa para cubrir las necesidades del cultivo?Para que no exista limitacin por O2 en ningn momento CLO2 > Ccrit en todo momento

cultivo de levadurasXf=10 g/l C*= 6 ml O2/lQu KLa requiere?qO2=200 ml O2/gh

El microorganismo mantiene un estado cuasi-estacionariotransf. O2= consumoRO2= rO2KLa(C*-C)=qO2X

Se debe calcular el requerimiento de O2 cuando el consumo sea mximoX=XmaxqO2=qO2 max

KLa (C*- C) = 200 mlO2/gh . 10 g/l

Kla = 2000 mlO2/lh /(6-0.6)mlO2/l

KLa= 400 h-1

Nos aseguramos que el suministro de O2 sea suficiente an en la etapa de mx consumo

Crecimiento exponencialCrecimiento linealtLxLLimitacin por Oxgeno -

Mtodo del sulfito para la determinacin del KLaEs un mtodo para determinar KLa en ausencia de microorganismos

Se basa en que el Na2SO3 (0.015 M) en presencia de Cu++ o Co++ reacciona rpidamente con el O2 disuelto en el seno del lquido.

Na2SO3 + O2 Na2SO4 (1)

Cu++ o Co++ aprox. 0.5 2.10-3 M, pH 8

La velocidad de reaccin (1) es rpida pero < que la velocidad de difusin del O2

Que ocurre en cultivos con agregados celulares ?Si la unidad cataltica es una clula:Cultivos lquidos con bacterias no agregadasVpVolumen celularNo existe restriccin en la transferencia L-SLa principal resistencia a la transferencia de oxgeno es la pelcula estanca G-LTRANSFERENCIA ES PROPORCIONAL AL KLa

Flculos, agregados celulares, cultivos en biofilmVp variable

Que ocurre en cultivos con agregados celulares ?Esquema del transporte G-L-S

Que ocurre en cultivos con agregados celulares ?Concentracin en el seno del lquidoFilm estanco lquido alrededor de la partcula cataltica (interfase S-L)Perfil de concentracin en el film lquido cuando hay resistencia difusional en la interfaseVp> Volumen celular

Caractersticas de los fenmenos de transporte en cultivosLos metabolitos y sustratos polimricos y la formacin de micelio pueden producir medios muy viscosos, generalmente no newtonianos, que limitan la transferencia de materia

La formacin de aglomerados celulares (flocs, pellets) y biofilms determina la existencia de restricciones difusionales externas e internas. Las ltimas dan lugar a condiciones de anoxia, restriccin severa de nutrientes, intoxicacin por productos y lisis celular

Las concentraciones de nutrientes y productos en los medios son normalmente bajos, por lo tanto los gradientes de concentracin para la transferencia es limitada

CLCULOS - Velocidades de transferenciaMezclado perfectoC2=CBatchFase lquidaFase gaseosaEcuaciones de balance de materia

Balance para el OxgenoBalance FLBalance FGEstado cuasiestacionario 2222112211)*(..LLLOOCCaKVXFXF-=-Transferencia=consumo

Ln KLaLn rpmMtodo del sulfito para la determinacin del KLa

Estimacin de KL - Parmetros adimensionales Los parmetros adimensionales del sistema de cultivo se agrupan en nmeros adimensionales caractersticosSe pueden establecer correlaciones de Kl con los nmeros adimensionales que describen la fluidodinamiaPara una determinada caracterstica de la partcula Vp, el factor determinante de KL es la fluidodinamia alrededor de la mismaNUMEROS ADIMENSIONALESSHERGOOD- Estima la magnitud del transporte total de materia en relacin a la difusividadREYNOLS Refleja el rgimen fluido dinmico alrededor de slido. Asociado a turbulenciaSCHMIDT - Refleja las propiedades del fluido