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PRÁCTICA 1
Presentación de biorreactores
diversos
INTRODUCCIÓN
Todo proceso biotecnológico establecido a nivel comercial tuvo que haber pasado
por las siguientes escalas de operación: laboratorio, planta piloto e industrial (en
ese orden temporal).
En cada escala se utilizan biorreactores con características distintas en cuanto a
tamaños, forma de operación y configuración geométrica.
El biorreactor puede considerarse como el corazón de todo proceso biotecnológico
ya que en él se lleva a cabo la conversión de la materia prima al producto de
interés y su operación deberá garantizar la máxima conversión en todas las
escalas.
Un reactor químico es un recipiente en el que se lleva a cabo una reacción
química en la que se transforma una materia prima a un determinado producto,
esta reacción generalmente es catalizada por ciertos compuestos químicos (en
muchas ocasiones metales o metaloides). Un biorreactor puede ser definido como
un recipiente en el que se lleva a cabo la transformación de una materia prima a
un producto de interés mediante una biorreacción catalizada por un compuesto de
naturaleza bioquímica (una enzima, partes de una célula o la célula completa). En
la mayoría de los casos, tanto la materia prima como el biocatalizador se
encuentran disueltos o suspendidos en un medio acuoso. A estas biorreacciones
se les suele llamar “fermentaciones sumergidas”. El biorreactor debe proveer y
mantener las condiciones físicas y ambientales que hagan que la biorreacción
proceda a su velocidad óptima.
Al diferir en la naturaleza del catalizador, existen grandes diferencias entre un
reactor químico y un biorreactor.
CARACTERÍSTICAS DE LOS BIORREACTORES
Entre las características que debe reunir un biorreactor se encuentran las
siguientes:
1. Debe mostrar una buena calidad de mezclado, incluyendo un tiempo de
mezcla y un patrón de flujo que favorezcan la distribución homogénea de la
materia prima como su conversión a producto.
2. Presentar altas velocidades de transferencia de masa, momento y calor, a
bajo costo o con economía aceptable.
3. Factibilidad técnica y económica en la construcción de unidades de gran
volumen.
4. Presentar bajos costos de operación y de mantenimiento.
5. Operar asépticamente.
CLASIFICACIÓN DE BIORREACTORES
Una de las muchas formas de clasificación de los biorreactores está basada en la
forma de introducción de la energía para agitar el líquido de reacción, como se
muestra en la figura 1.
Figura 1. Una clasificación de biorreactores.
Biorreactores agitados mecánicamente.
Este tipo de biorreactor es muy empleado en todas las escalas de producción, en
laboratorios de investigación o en la industria de fermentaciones, pueden utilizarse
incluso para fermentaciones de reología compleja y en procesos en los que se
exigen altas velocidades de transferencia de masa y de calor. Consisten en un
cuerpo cilíndrico con tapas elipsoidales, semiesféricas o toriesféricas y
generalmente su relación altura del tanque (HT) al diámetro del tanque (DT) es
menor a tres y más comúnmente menor a dos (HT/DT < 3).
Cuentan con un motor al que se acopla la flecha de transmisión que contiene a su
vez los impulsores que agitarán el líquido. Dependiendo del tamaño del bioreactor,
el motor puede colocarse en la tapa superior o en la inferior, pero invariablemente
Agitados mecánicamente
Biorreactores
Agitados neumáticamente
Columna
CirculaciónAirlift
Agitados deforma mixta
Propelas
Jet
se requiere de sellos mecánicos para garantizar el trabajo aséptico. Generalmente
la aireación del líquido de reacción se realiza a través de difusores (tubos o placas
perforados), efectuándose la dispersión del aire en las zonas cercanas a los
impulsores.
A pesar de su versatilidad, son muy onerosos debido a sus altos costos de
construcción, operación y mantenimiento. Por limitaciones técnicas referentes a la
transmisión de potencia y a los problemas de sostenimiento del conjunto “flecha
de transmisión – impulsores” no es posible construir unidades mayores a los 300
m3. En los laboratorios de investigación es común encontrar este tipo de
biorreactores con capacidad del orden de 1 a 5 litros.
Para controlar la temperatura de la biorreacción a un valor determinado
generalmente cuentan con una chaqueta o serpentines internos que funcionan
como un intercambiador de calor.
En la figura 2 se puede apreciar este tipo de biorreactor.
Figura 2. Esquema de un biorreactor agitado mecánicamente.
Biorreactores de columna
Este tipo de biorreactores carece de un sistema de agitación mecánica para
mezclar o agitar el líquido de reacción. Esto se logra exclusivamente a través de la
inyección de aire en el líquido (desde el fondo del recipiente) que al dispersarse en
burbujas y al ascender causan la turbulencia del líquido. Generalmente la relación
altura del tanque (HT) al diámetro del tanque (DT) es mayor a tres, llegando hasta 7
o más (HT/DT > 3). Si la altura del líquido (HL) es grande pueden emplearse platos
perforados colocados en posiciones intermedias de las mismas para “redispersar”
las burbujas de aire.
Al carecer de partes “móviles” tanto la construcción, operación y mantenimiento de
este tipo de biorreactores son más económicos que cualquier otro tipo. Quizá el
mayor gasto de operación sea el de compresión de aire, debido a los altos flujos
requeridos. Generalmente se emplean para fermentaciones de baja viscosidad. En
la Figura 3 se representa un biorreactor de columna. En el caso “b” de esta figura
se observan los platos perforados que sirven para “redispersar” las burbujas de
aire.
Figura 3. Esquema de un biorreactor de columna.
La calidad del mezclado, la hidrodinámica, la distribución y tamaño de las
burbujas, el área específica para la transferencia de masa y la velocidad de
transferencia de masa en este tipo de biorreactores depende en gran medida de la
selección del difusor del gas. En la figura 4 se pueden observar algunos difusores
de gas empleados en estos biorreactores.
(a) (b) (c) (d)
Figura 4. Difusores empleados: a) Placas sinterizadas; b) Platos perforados; c) Tubo perforado; d) Anillo perforado.
Biorreactores de circulación
La denominación de este tipo de biorreactores se debe al patrón definido de
circulación del líquido en el reactor. Dicha definición de la circulación del líquido se
debe a una diferencia de densidades de la mezcla líquido-gas entre ciertos puntos
del interior del biorreactor y se ve favorecida por la velocidad de circulación del
líquido. Se clasifican en dos grandes grupos: los de agitación exclusivamente
neumática como el airlift (Figura 5) y los agitados de forma mixta (agitados
neumática y mecánicamente) como puede verse en la figura 1, 6 y 7. A su vez
también se clasifican en otros 2 grandes grupos: de circulación externa o interna
(Figura 5). Externa si el líquido es inducido a circular por un brazo lateral
conectado al cuerpo principal del biorreactor en su parte inferior y superior, y de
circulación interna si el líquido circula en forma definida sin salir del cuerpo
principal del reactor. Los primeros sólo se han empleado a nivel experimental,
mientras que los segundos se han llegado a utilizar a nivel industrial,
generalmente en el tratamiento de aguas residuales, alcanzando volúmenes de
hasta 13,600 m3.
Figura 5. Esquema de reactores de circulación o airlift.
Figura 6. Biorreactor de circulación con propelas.
Figura 7. Biorreactor de circulación tipo Jet.
OBJETIVO
La presente práctica se propone como objetivo que el alumno identifique y
describa los diferentes tipos de biorreactores y sus partes componentes tales
como sistema de introducción de la energía para agitación del líquido, puertos
para los distintos tipos de electrodos, puertos para adición de líquidos o gases,
puertos para carga, descarga y toma de muestra, así como la forma en que se
operan, controlan, esterilizan, limpian, etcétera.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Para la sesión de introducción de esta práctica el alumno deberá haber consultado
y leído en distintas fuentes el tipo de biorreactores que se emplean a nivel
laboratorio, planta piloto e industrial y deberá presentar y exponer los resultados
de la búsqueda. Posteriormente, en la sesión experimental, se le mostrará los
diversos tipos de biorreactores de nivel laboratorio y planta piloto con los que
cuenta la unidad para que pueda corroborar los resultados de su búsqueda.
FORMULACIÓN DE RESULTADOS
El alumno realizará un informe detallado de los biorreactores presentados donde
deberá reportar los siguientes puntos:
Tipo de biorreactor.
Capacidad.
Características geométricas (incluyendo el esquema del biorreactor).
Sistema de carga y descarga.
Sistema de agitación del líquido de reacción (mecánica, neumática o mixta).
Sistema de aireación.
Patrones de flujo del líquido de reacción.
Sistemas de medición de variables de operación y de respuesta y su
posible control.
Forma de esterilización del biorreactor, medio de cultivo, aire y aditivos
líquidos tales como ácidos, álcalis, antiespumante, etcétera.
Dispositivo de toma de muestra y de inoculación.
BIBLIOGRAFÍA
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Culture”, Adv. Biotech, Process, 1: 1-30.
Charles, M. (1985). “Fermentation Scale-Up: Problems and Possibilities”, Trends in
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Comprehensive Biotechnology, M. Moo-Young, Pergamon Press, 2: 99-118.
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Zlokarnik, M. (1985), “Tower-Shaped Reactors for Aerobic Biological Waste Water
Treatment”, en Biotechnology, Rehm, H. J. y G. Reed, 2: 537-569.
PRÁCTICA 2
Práctica 2. Instrumentación para el seguimiento y control de la biorreacción
Instrumentación para el seguimiento y control
de la biorreacción
INTRODUCCIÓN
Los biorreactores están equipados con distintos instrumentos que se utilizan para
facilitar el registro y análisis de las variables de operación y de parámetros
específicos que sirven para mantener, dentro de ciertos intervalos de valores, las
condiciones de operación de la biorreacción con el fin de maximizar la
productividad y garantizar el éxito de la biorreacción.
La instrumentación ha sido definida como “una ventana al proceso” y su objetivo
es mantener al mínimo la diferencia entre el valor medido y un valor deseado. El
control de un parámetro particular se lleva a cabo a través de un sistema que
consta de un sensor (o electrodo), un medidor y un controlador:
El sensor es un dispositivo que transforma una magnitud de una propiedad que se
quiere medir en otra que facilita su medida, normalmente eléctrica.
EL medidor recibe la medida del valor de la propiedad que emite el sensor y la
refleja análoga o digitalmente.
El controlador compara dicha medida con un valor fijo, predeterminado. Del
resultado de la comparación, el controlador envía una señal (generalmente
eléctrica) a un actuador.
El actuador cambia el valor medido de la propiedad hasta alcanzar el valor
predeterminado o de control (“Set Point”). Si el actuador es una válvula de control,
cambia su grado de abertura de una válvula; si es una bomba dosificadora,
cambia su velocidad de flujo; y si es un motor, cambia su velocidad de giro. Si es
necesario el uso de una fuerza para modificar la abertura de una válvula, se
requerirá de un transductor.
El transductor es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro tipo de
energía.
Los sensores pueden estar conectados directamente al biorreactor (en contacto
directo con la masa líquida o sólida de fermentación), en cuyo caso se dice que
están “en línea”, si no están conectados directamente al biorreactor, entonces se
dice que están “fuera de línea”.
REQUISITOS DE LOS SENSORES EN LÍNEA
Debido a la naturaleza de la biorreacción se requiere que la gran mayoría de los
“sensores en línea” reúnan, entre otros, los siguientes requisitos:
Que sean capaces de resistir el proceso térmico al que se somete el caldo
de cultivo en el biorreactor (esterilización con calor húmedo).
Que sean capaces de resistir las presiones de operación.
Que sean de fácil calibración.
Que muestren valores estables.
Que su mantenimiento sea fácil y económico.
Que tengan una adecuada vida media útil.
Estos sensores “en línea” se utilizan básicamente para medir propiedades físicas o
variables de operación como la temperatura, presión, intensidad de agitación o
velocidad de giro de los impulsores, velocidades de flujo de líquidos y gases, y
para medir ciertas propiedades químicas como el pH, concentración de oxígeno
disuelto y gaseoso, concentración de dióxido de carbono disuelto y en el gas, la
concentración de azúcares disueltos, concentración de algunos productos
celulares, entre otros.
Para conocer el estado de una variable de operación o de un parámetro específico
con sensores “fuera de línea” se deberá tomar asépticamente una muestra para
que en ella se mida la propiedad.
Por los tiempos y necesidades de los bioprocesos es fácil concluir que los
sensores en línea son mucho más adecuados para controlar el valor de una
propiedad en una biorreacción.
PROPIEDADES MEDIBLES EN LOS BIORREACTORES
Entre las propiedades más comunes que se miden en un biorreactor figuran las
siguientes:
Temperatura.
pH.
Flujo de aire.
Presión.
Intensidad de agitación.
Nivel o volumen de medio de cultivo.
Espuma.
Concentración de oxígeno disuelto.
Concentración celular.
Concentración de sustrato.
Concentración de producto.
A continuación detallamos algunas de estas mediciones.
Medición y control de pH
El pH es una medida de la actividad de los iones hidronio (H+) en una disolución
acuosa y está definida por la siguiente ecuación:
pH = - log10 [H+] (1)
En biorreactores, el electrodo de pH debe ser esterilizable y estar en contacto
directo con el medio de cultivo. El electrodo se conecta directamente a un
medidor-controlador de pH, en el cual se establece el valor de control (Set Point).
Un electrodo de pH está integrado por dos celdas: un elemento sensor del pH y un
elemento de referencia.
El elemento sensor consiste en un alambre de plata cubierto con cloruro de plata
inmerso en una solución buffer (usualmente de pH 7), en un tubo sellado que
termina con un fino bulbo de vidrio sensible al pH. El elemento de referencia
consiste en otro alambre de plata cubierto con cloruro de plata inmerso en una
solución buffer saturada de cloruro de potasio y un diafragma poroso que
comunica con la sustancia a la que se medirá el pH.
Dicho electrodo comúnmente se construye como una sola unidad con el sensor de
referencia construido en una parte anular del elemento sensor, tal como puede
apreciarse en la Figura 1.
El método se fundamenta en la existencia de una diferencia de potencial entre las
dos caras de la membrana de vidrio expuestas a disoluciones acuosas que
difieren en su valor de pH. A temperatura constante la magnitud de esta diferencia
de potencial es directamente proporcional a la diferencia de pH entre dichas
disoluciones.
Figura 1. Esquema de un electrodo de pH.
Debido a que el electrodo de vidrio y los electrodos de referencia comerciales
tienen un comportamiento imperfecto es preciso calibrar el dispositivo de
determinación del pH con dos disoluciones patrón antes de usarlos en los
biorreactores. Para ello, los electrodos se sumergen sucesivamente en dos
disoluciones patrón con valor conocido, denominados P1 y P2, a la misma
temperatura que la disolución problema y seleccionadas de forma que el valor de
pH de la disolución problema esté comprendida entre los valores de pH, P1 y P2.
Como el valor del pH del caldo de fermentación puede cambiar después de ser
esterilizado, debido al drástico tratamiento térmico se recomienda recalibrar el
electrodo, para lo que se hace necesario tomar asépticamente una muestra del
caldo de fermentación y medir su valor de pH con un medidor y un electrodo “fuera
de línea”. En caso de que el valor del electrodo “en línea” sea distinto del que
ACTUADOR
BIORREACTORMEDIDOR
CONTROLADOR
SENSOR
marca el “fuera de línea” se ajustará el valor de aquél con el equipo de medición
empleado en el biorreactor.
Una vez realizado todo lo anterior, se está en posibilidades de medir y controlar el
valor del pH de una biorreacción en un biorreactor. Si el valor medido del pH es
diferente al valor del Set Point, entonces el controlador emitirá una señal eléctrica
con la que se podrá activar alguna bomba para adicionar “ácido” o “álcali”,
dependiendo de la diferencia entre el valor medido y el Set Point.
En la Figura 2 se puede observar la disposición de un sistema de medición y
control del valor de una variable cualquiera de un caldo de cultivo contenido en un
biorreactor.
Figura 2. Diagrama de bloques de un sistema de control.
Medición y control de temperatura
Aunque no existe un consenso para establecer cuál de todas las variables de
operación es la más importante de mantener y controlar en una biorreacción, la
temperatura se cuenta entre las más importantes. El control, la medición precisa y
adecuada de la temperatura resultan esenciales para la biorreacción. Un sistema
de medición de la temperatura debe presentar una precisión menor a los 0.5 °C
respecto a la temperatura de medición, ya que en muchos casos una variación de
1 a 1.5 °C durante la biorreacción puede dar lugar a grandes pérdidas económicas
en el bioproceso, por lo que se recomienda que la diferencia entre el valor medido
y el de control se encuentre entre 0.5 y 1.5 °C.
Generalmente, la temperatura en un bioproceso se mide con sensores RTD
(Resistance Temperature Detector), ya que son los que presentan las mejores
características antes mencionadas; constan de un elemento metálico cuya
resistencia eléctrica cambia con la temperatura, hecho en el que se basa la
medición de la misma. Debido a sus óptimas características lineales de cambio
respecto a la temperatura, usualmente se utiliza platino, aunque también se usa
níquel, cobre y aleaciones de níquel, sin embargo, una desventaja del platino es
su precio moderamente alto.
La resistencia es medida con un dispositivo y convertida por un transductor a
valores de temperatura (en °C o K). El valor medido de la temperatura es
comparado con la del control y de la diferencia entre los valores, el controlador
emitirá una señal que servirá para realizar una acción de control de la misma.
La acción puede consistir en hacer pasar agua de enfriamiento o vapor a través de
un serpentín inmerso en el caldo de biorreacción o a través de la “chaqueta” del
biorreactor para ajustar la temperatura al punto de control.
Para sensores RTD la relación entre la temperatura y la resistencia está descrita
por la siguiente ecuación:
RT
R0=1+α [T−σ ( T
100−1)( T
100 )] (2)
Ecuación en la que:
RT = resistencia a la temperatura T [=] Ω
R0 = resistencia a 0°C [=] Ω
α = una constante (0.00382 – 0.00393 para Platino)
T = temperatura [=] °Cσ = una constante (1.48 – 1.51 para Platino)
Dicha ecuación aplica para intervalos de temperatura comprendidos entre 0 y 630
°C.
Medición y control del oxígeno disuelto
El oxígeno disuelto es muy importante para el desarrollo de una biorreacción
aeróbica, por lo que su medición y control es un parámetro importante para el
desarrollo y producción económicamente rentable de bioproductos.
El oxígeno disuelto generalmente proviene del aire que es introducido en el fondo
del caldo de biorreacción. Una parte del oxígeno contenido en el aire se disuelve
en el caldo y otra parte sale tal cual con el aire agotado. El oxígeno disuelto es el
que utilizarán los microorganismos para vivir y para realizar el proceso de
transformación de la materia prima a producto. Por esta razón es importante
distinguir entre “oxígeno disuelto” y “oxígeno en el gas”.
La medición del oxígeno disuelto se realiza de forma “amperométrica”, por la
reducción del oxígeno en la superficie del cátodo y la formación de cloruro de plata
en el ánodo. Una solución electrolítica une al ánodo y al cátodo, estableciéndose
un voltaje de polarización entre ellos. Cuando un fluido que contiene oxígeno
disuelto se pone en contacto con el electrodo, el oxígeno se difunde a través de
una membrana semipermeable estableciéndose la siguiente reacción:
Cátodo: O2 + 2H2O + 4e- 4OH-
Ánodo: 4Ag + 4Cl- 4AgCl + 4e-
El resultado es una corriente eléctrica que es proporcional a la actividad del
oxígeno disuelto o presión parcial del mismo.
En el comercio especializado existen distintos tipos de electrodos y de medidores
controladores de oxígeno disuelto que los usuarios podrán elegir.
El control del oxígeno disuelto en una biorreacción puede realizarse a través de la
modificación de: a) el flujo de gas; b) de la fracción mol de oxígeno; c) de la
intensidad de agitación del caldo de cultivo; d) de la presión manométrica en el
sistema. Aunque la mayoría de las veces se prefieren los puntos “a” y “c”.
Medición y control de espuma
Cuando en el caldo de cultivo existen compuestos orgánicos, como proteínas y
carbohidratos, generalmente se forma espuma. Esto se favorece a altos flujos de
aire y alta intensidad de agitación.
La formación de espuma es crítica en los biorreactores por muchas razones, las
más destacadas son las siguientes:
Disminución del volumen del líquido en el interior del biorreactor si la
espuma sale por el venteo o salida del gas agotado.
Contaminación microbiológica del bioproceso si la espuma alcanza a salir
por el venteo o salida del gas agotado.
Disminución de la actividad biológica del bioproducto si posee propiedades
tensoactivas y es sensible a fuerzas de torsión.
El control del volumen de la espuma se logra a través de un “rompedor mecánico”
o mediante la adición controlada de un “antiespumante”. El rompedor de espuma
es un impulsor colocado generalmente por encima del caldo de cultivo, que gira a
altas velocidades entrando en contacto con la espuma para actuar en forma
semejante a una centrífuga, con lo que impulsa al fondo a la fase pesada, dejando
pasar la fase ligera, el gas.
El antiespumante rompe la espuma cambiando la tensión superficial del caldo de
cultivo.
La selección del sistema de control de espuma ocurrirá después de evaluar las
características técnicas y económicas de ambos sistemas.
Un rompedor mecánico requiere de energía adicional y de acciones costosas de
mantenimiento preventivo y correctivo, mientras que los antiespumantes son
compuestos químicos extraños al sistema biológico de la biorreacción que
potencialmente pueden llegar a contaminar el producto final a pesar de que
existan antiespumantes aprobados por instituciones internacionales.
No obstante lo anterior, el sistema más empleado para controlar la formación de
espuma es usando antiespumantes. El control de espuma se basa en la
conductividad eléctrica que presentan los medios de cultivo. Cuando la espuma
asciende y hace contacto con el sensor, que es una varilla metálica colocada en la
parte superior del biorreactor, cierra un circuito eléctrico que envía una señal a un
controlador que acciona la bomba de adición de antiespumante. Una vez que la
espuma se ha destruido deja de hacer contacto con el sensor y la bomba deja de
adicionar antiespumante.
OBJETIVO
El alumno operará los sistemas de medición y control de variables de operación de
biorreactores de tanques agitados a través de las determinaciones en línea de la
temperatura, pH, oxígeno disuelto y espuma.
MATERIALES Y MÉTODOS
EQUIPO
Biorreactor tipo tanque agitado.
Tanque de nitrógeno puro con válvula de control de presión y de flujo.
Vasos de precipitados de 250 ml, 500 ml y de 2000 ml.
Probetas de 1000 ml.
Mangueras de silicón para bombas peristálticas.
REACTIVOS
Solución de NaOH 0.5N.
Solución de HCl 0.5N.
Antiespumante Mazu al 10% v/v en agua.
Solución proteica o un detergente.
INSTRUMENTOS
Sistema de medición y control de temperatura.
Sistema de medición y control de pH.
Sistema de medición y control de oxígeno disuelto.
Sistema de medición y control de espuma.
Elementos del sistema de medición y control de pH
Electrodo de pH con su camisa presurízable y conectores para el
biorreactor.
Medidor.
Controlador.
Bombas de adición de ácido o álcali.
Elementos del sistema de medición y control de temperatura
Sensor RTD.
Medidor.
Controlador.
Recipiente de agua de enfriamiento con una resistencia eléctrica de
inmersión.
Bomba de agua de enfriamiento.
Elementos del sistema de medición y control de oxígeno disuelto
Electrodo polarográfico.
Medidor.
Controlador.
Elementos del sistema de medición y control de espuma
Electrodo.
Medidor.
Controlador.
Bomba de adición de antiespumante.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
ACTIVIDADES PREVIAS
Medir las dimensiones de todas las partes del biorreactor.
Consultar los manuales de operación tanto del biorreactor como de los
equipos de medición y control que se utilizarán.
Identificar, en el biorreactor, los sistemas de medición y control de
temperatura, pH, oxígeno disuelto y espuma.
Llenar el biorreactor con agua de la llave o con una solución proteica o de
detergente (el profesor lo indicará).
Calibrar los electrodos de temperatura, pH y oxígeno disuelto.
Establecer las condiciones de operación.
* Todo lo anterior se realizará auxiliado por sus instructores.
ACTIVIDADES PARA MEDIR LAS PROPIEDADES DE LOS BIORREACTORES
A continuación se detallan las actividades para la medición de algunas
propiedades de los biorreactores.
Medición y control del pH
Establezca una velocidad de agitación del biorreactor siguiendo las
indicaciones establecidas en el manual de operación del equipo.
Encienda el equipo de medición y control y verifique que el valor de pH que
registra sea igual que el de la muestra tomada del biorreactor y medida
fuera de línea. De no ser así, ajuste el equipo de acuerdo a las indicaciones
del manual.
Ajuste el pH a un valor de cinco con una disolución de ácido clorhídrico 0.5
N. y establezca en el equipo un valor de Set Point de cinco (consulte el
manual del equipo).
El equipo de medición y control debe tener acoplado el sistema de adición
de álcali que consta de una bomba peristáltica capaz de agregar al
biorreactor una disolución de NaOH 0.5 N, de acuerdo a la señal del
controlador.
Agregue al biorreactor 10 ml de una disolución de ácido clorhídrico 0.5 N
con objeto de simular una biorreacción acidogénica (disminuye el valor del
pH conforme pasa el tiempo).
Observe como el controlador enviará una señal a la bomba peristáltica para
adicionar el álcali. La bomba dejará de funcionar (de adicionar álcali)
cuando el pH alcance o sobrepase el valor del Set Point.
Repita el procedimiento hasta que quede comprendido el sistema de
medición y control.
Medición y control de la temperatura
Agregue al biorreactor 10 litros de agua a temperatura ambiente (25°C) y
establezca una velocidad de agitación de 300 rpm ayudado por su
instructor.
A través de la chaqueta verifique que las válvulas del circuito de circulación
del agua de enfriamiento estén abiertas y encienda el equipo de medición y
control de la temperatura, que consta de los elementos ya descritos.
Establezca en el controlador de temperatura un valor de Set Point de 33°C
ayudado por su instructor.
Encienda la bomba de circulación del agua y espere hasta que la
temperatura en el interior del biorreactor alcance la temperatura del Set
Point.
Medición del oxígeno disuelto
Agregue al biorreactor 10 litros de agua a temperatura ambiente (25°C) y
con la ayuda de su instructor establezca una velocidad de agitación de 300
rpm.
Establezca un flujo de aire a un valor de 0.5 vvm (verifíquelo en el
rotámetro).
Encienda el equipo de medición de oxígeno disuelto y espere unos 15
minutos hasta que la lectura permanezca estable.
Con este valor, establezca en el equipo el 100% del valor de saturación.
Ayudado por sus instructores conecte un tanque de nitrógeno puro al
sistema de introducción de aire del biorreactor y haga pasar un valor de
flujo de nitrógeno tal que no sobrepase los 0.75 vvm totales (verifíquelo en
el rotámetro), con objeto de disminuir la presión parcial de oxígeno en el
aire.
Observe como el oxígeno disuelto baja en el equipo de medición.
Ahora cierre completamente el flujo de nitrógeno y adicionar aire, observe
como el valor de oxígeno disuelto volverá a su valor normal (100% del de
saturación).
Medición y control de la espuma
Agregue al biorreactor 10 litros de agua con 2% de detergente (o de ser
posible una disolución proteica) a temperatura ambiente (25°C) y
establezca con la ayuda de su instructor una velocidad de agitación de 250
rpm y un flujo de aire de 0.15 vvm que deberá verificar con el rotámetro.
A esta velocidad observe si se forma espuma.
Incremente la velocidad de agitación en intervalos de 50 rpm hasta llegar a
400. Mantenga las diferentes velocidades durante 10 minutos y observe lo
que ocurre con la formación de espuma (debe incrementarse su velocidad
de formación) y anote sus observaciones.
Estando a 400 rpm incremente el flujo de aire hasta un valor de 0.75 vvm,
observe y anote lo que pasa con la formación de espuma.
Conecte el sistema de control de espuma. La bomba peristáltica de adición
de antiespumante debe estar conectada y la manguera debe estar inmersa
en una solución de antiespumante Mazu al 10% en agua.
Elija una velocidad de agitación y un flujo de aire que tengan la más alta
formación de espuma, con objeto de que el controlador envíe la señal de
adición de antiespumante. Anote y discuta sus observaciones.
FORMULACIÓN DE RESULTADOS
Elabore diagramas (en Autocad o cualquier programa) donde se observen
los sistemas de medición y control de pH, temperatura, oxígeno disuelto y
espuma en un biorreactor.
Elabore un reporte por equipo en los que establezca sus conclusiones
respecto a las necesidades de instrumentación y control en las
biorreacciones.
BIBLIOGRAFÍA
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Edition Academic.
Harper, E. H. (2000), El ABC de la instrumentación en el control de procesos
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Wang, D. I. C., Cooney, C. L., Demain, A. L., Dunill, P., Humphrey, A. E., Lilly, M.
D. (1978), Fermentation and Enzyme Technology, John Wiley and Sons.
PRÁCTICA 3
Práctica 3. Servicios auxiliares
Servicios Auxiliares
INTRODUCCIÓN
Los servicios auxiliares necesarios en la operación de un biorreactor incluyen aire
comprimido, diversos gases comprimidos (nitrógeno, oxígeno, etcétera), agua de
enfriamiento (agua helada y agua de torre), agua para servicios varios, vapor y
energía eléctrica.
AIRE
El aire tiene varios usos en un biorreactor, a continuación mencionaremos algunos
de ellos por orden de importancia:
Proveer oxígeno al medio de cultivo.
Como fuerza motriz para la transferencia de momento y masa.
Como fuerza motriz para transferir líquidos de un recipiente a otro.
Para accionar instrumentación de control de tipo neumático.
Como medio de enfriamiento para los recipientes después de la
esterilización.
La elección del tipo de aire a utilizar dependerá del uso que se haga de él. El aire
debe ser seco y libre de aceite. Además cuando se requiera que el proceso o
producto no se afecte por la introducción de microorganismos ajenos, contenidos
en la corriente de aire, será necesario que éste sea estéril.
Esterilización del aire
Actualmente para la esterilización del aire que se introducirá al biorreactor se
utilizan prefiltros y filtros absolutos. Los prefiltros son casi obligatorios para
compresores lubricados con aceite para eliminar partículas de este lubricante, sin
embargo, en la actualidad los compresores libres de aceite van ganando terreno,
por lo que en estos casos los prefiltros sirven para aumentar la eficiencia y vida
media de servicio de los filtros absolutos. Estos últimos deberán tener 100% de
retención de partículas de hasta 0.01 µm en el aire de servicio.
Los filtros constan de dos elementos principales: el cartucho que contiene el
elemento filtrante y la camisa en la que se coloca el cartucho. En el comercio
especializado se encuentran varios tipos de filtros absolutos. Algunos de los
materiales utilizados para los cartuchos son: ésteres de celulosa, polisulfonas,
fluoruro de polivinilo y politetrafluoroetileno; mientras que el material más utilizado
para la camisa es el acero inoxidable (304, 316 o 316L) con mecanismos de
sellado rápido y hermético. El diámetro de los cartuchos es de 2½” a 2¾”, con
longitudes variables que van desde 10” (0.25 m) hasta 40” (1m).
Se recomienda que los filtros a emplear en los biorreactores sean del tipo de
membrana hidrofóbica (que repele el agua). La naturaleza hidrofóbica de estas
membranas pueden alcanzar 100% de remoción de bacterias y bacteriófagos en
condiciones de operación húmedas o secas. La esterilización de los filtros se
realiza con vapor saturado que circula en el sentido de la introducción del aire al
biorreactor.
Sistemas de compresión de aire
Los sistemas de compresión de aire constan de los siguientes componentes:
compresor, filtro de admisión de aire, sistema de enfriamiento (si lo tiene),
depósito de almacenamiento y sistema de control de presión. En varios puntos del
sistema de distribución se deben colocar trampas o purgas para eliminar
condensados.
Los compresores de aire para plantas biotecnológicas son generalmente de dos
tipos: rotatorios y reciprocantes de accionamiento positivo, aunque también
existen los compresores de tipo centrífugo para grandes volúmenes de aire a
bajas presiones. El aire es tomado directamente de la atmósfera.
Independientemente del tipo de preferencia deberán ser especificados como libres
de aceite.
La tubería de distribución puede ser especificada en diferentes materiales
dependiendo del servicio: desde acero al carbón para aire de equipos y motores,
hasta acero inoxidable 304 o 316 acabado sanitario para el aire proveniente del
filtro absoluto hacia el punto de suministro al biorreactor o para líneas de
distribución instaladas en un cuarto limpio.
Además del aire comprimido algunos gases comprimidos también tienen
aplicaciones en biorreactores, los más comunes son nitrógeno y oxígeno puros: el
nitrógeno es útil para la formación de atmósferas inertes y el oxígeno se usa para
enriquecer el aire y alcanzar una mayor velocidad de transferencia de oxígeno en
el biorreactor. Estos gases generalmente son suministrados en cilindros a una
mayor presión que la atmosférica, de tal manera que se pueden transportar al
lugar de uso. La tubería de distribución y suministro debe cumplir con las mismas
características que la del aire.
VAPOR
El vapor es utilizado como el medio principal de calentamiento en miles de
industrias y como de uso secundario para la generación de energía eléctrica.
Además el vapor limpio o puro se utiliza en el procesamiento de alimentos y
medicinas en la esterilización de productos y equipos, entre otros. Su uso
generalizado se debe a las siguientes razones:
La generación de vapor es una de las formas más económicas de
generación de energía.
El vapor puede controlarse de manera relativamente sencilla debido a que
circula de una zona de alta presión a una de menor presión sin necesidad
de otro equipo.
El vapor es fácil de producir ya que se obtiene del agua, la cual puede ser
reutilizable.
Un generador de vapor o caldera es aquel equipo que transforma el agua en vapor
aprovechando el calor generado por la combustión de un material combustible,
teniendo como característica principal que es un recipiente cerrado sujeto a una
presión mayor a la atmosférica.
Tipos de generadores de vapor
Existen dos tipos de generadores de vapor:
Generadores de tubos de agua: en los cuales el agua circula al interior de
una serie de tubos (serpentín), mientras que el calor se transfiere de la
cámara de combustión hacia el interior de los tubos, así el agua contenida
dentro de los tubos comienza a elevar su temperatura hasta evaporarse.
Este es el tipo más común y con el que cuenta la UPIBI.
Generadores de tubos de humo: en forma totalmente opuesta, en este tipo
de generadores los gases de combustión circulan por los tubos, mientras
que el agua se encuentra almacenada en la cámara exterior, así el calor se
transfiere del interior de los tubos hacia el agua almacenada alrededor de
éstos
La capacidad de un generador de vapor se mide bajo un estándar internacional
llamado Caballo Caldera, el cual es equivalente a generar 15.65 kg/h de vapor con
una temperatura de 100 ºC a presión atmosférica y que es alimentado con agua a
100 ºC. Otra definición nos dice que con estos 15.65 kg/h de vapor es posible
obtener 8,430 kcal/h de calor aprovechable en un proceso. Así un generador de
vapor que tenga una capacidad de 100 caballos caldera será capaz de generar
1565 kg/h de vapor (Considerando el 100 % de eficiencia).
Partes de las calderas
Las calderas generalmente vienen como paquetes en tamaños estandarizados,
como por ejemplo la caldera Clayton de planta piloto, que incluye las partes
siguientes:
Tanque de condensados, que se instala generalmente 2 m arriba de la
bomba de alimentación de agua al generador.
Bomba de agua, que envía el agua a presión hacia el serpentín del
generador.
Generador de vapor de tubos de agua por donde circulan en sentido
contrario el agua y los gases de combustión, de tal manera que a medida
que el agua avanza en su recorrido encuentra temperaturas más altas, por
lo que incrementa su temperatura hasta convertirse en vapor. Los
componentes básicos del generador son el serpentín, el quemador-
ventilador y la cámara de combustión.
Separador de vapor, donde por medios mecánicos se provoca el
desprendimiento de pequeñas partículas de agua (humedad) que arrastra el
vapor.
Trampa de vapor que desaloja los condensados removidos del vapor y los
envía de regreso al tanque de condensados para repetir nuevamente el
ciclo.
Sistema de control y de seguridad, entre los que destacan: las válvulas de
alivio y de seguridad, los manómetros, el control principal de temperatura
con termopar, los interruptores del termostato, el interruptor de presión de
vapor y el interruptor del nivel de agua.
El agua que entra a una caldera requiere de un acondicionamiento previo para
proteger los equipos contra la incrustación, la corrosión y otras complicaciones
(ver Cuadro 1). Por eso es necesario acoplar a ésta, un sistema de
acondicionamiento previo del agua, que generalmente incluye un suavizador y un
tanque de salmuera. A la vez de un tratamiento químico que se alimenta continua
o periódicamente al tanque de condensados.
El suavizador consiste en una columna empacada con una resina catiónica
depositada sobre un lecho de grava que le sirve de soporte y a la vez de filtro. En
la resina se lleva a cabo el intercambio de los iones calcio y magnesio que son los
responsables de la dureza del agua por iones sodio que contiene la resina. El
tanque de salmuera tiene como función regenerar la resina a fin de que recupere
su capacidad de intercambio iónico.
Cuadro 1. Características del agua de alimentación a una caldera
Dureza cero
Oxígeno disuelto, CO2 cero
Sulfitos 50 – 100 ppm
pH 10.5 a 11.5
Sólidos en suspensión cero
Sólidos disueltos < 6000 ppm
Sistema de distribución de vapor
El sistema de distribución de vapor se realiza por medio de tuberías, generalmente
de acero al carbón cédula 40, cuidando que las velocidades y caídas de presión
estén comprendidas en los intervalos recomendados para el dimensionamiento de
las mismas. El vapor puro requerirá de tuberías de acero inoxidable con acabado
sanitario.
En adición al sistema de distribución de vapor deberán preverse los sistemas de
manejo de condensados, ya que éstos pueden reutilizarse con un importante
ahorro en el acondicionamiento del agua de alimentación a la caldera y en la
energía requerida para el calentamiento de la misma hasta el punto de ebullición.
AGUA DE ENFRIAMIENTO
El agua como servicio auxiliar se utiliza como fluido de enfriamiento para el control
de la temperatura del caldo de fermentación en los biorreactores. Esta agua
circula a través de las chaquetas o serpentines según el diseño del biorreactor y, a
diferencia del agua de proceso, no tiene contacto con materias primas o
productos, ni tampoco con las superficies en contacto con las corrientes de
proceso.
Tipos de agua de enfriamiento
En la práctica el agua es un servicio escaso y es necesario recircularla, enfriarla y
reutilizarla. Dependiendo de la temperatura requerida para el agua de enfriamiento
ésta puede ser:
Agua de torre. Con una temperatura de entre 10 °C y 25 °C dependiendo
del diseño de la torre y de las condiciones ambientales del lugar. Los
equipos más utilizados en la industria biotecnológica por su tamaño
compacto son las torres de enfriamiento por evaporación. Otros sistemas
para mayores capacidades son las torres atmosféricas y los estanques de
enfriamiento, los cuales requieren grandes espacios para su instalación. El
agua de torre es susceptible de degradación debido al crecimiento de
organismos o bien al aumento en la concentración de sales que favorecen
la incrustación, por lo tanto las torres de enfriamiento requieren un
mantenimiento constante que implica: tratamiento con algunos químicos
para impedir la incrustación de sales, cloración para impedir la formación de
microorganismos y purgas frecuentes para impedir la acumulación de
sólidos.
Agua helada. Con una temperatura de entre 5°C y 10 °C, los componentes
principales de un sistema de agua helada son los mismos que los de un
ciclo de refrigeración: el compresor, el condensador, la válvula de
expansión, el evaporador, la bomba de recirculación y el tanque de
expansión. El evaporador es simplemente un intercambiador de calor donde
el refrigerante se vaporiza a expensas de la energía que toma del agua,
que como resultado de este proceso se enfría. Esta agua helada se dirige a
los puntos donde se necesita y de ahí se retorna al evaporador por medio
de la bomba de recirculación. Por otro lado, el gas refrigerante se
comprime, se enfría en el condensador y se dirige nuevamente al
evaporador pasando por una válvula de expansión donde se vaporiza
parcialmente disminuyendo aún más su temperatura.
Para dimensionar un sistema de enfriamiento, será necesario conocer la demanda
de agua (flujo) y el intervalo de temperaturas entre el agua que sale hacia el
proceso y la que regresa al sistema. Las tuberías de transporte y suministro del
agua de enfriamiento por lo general son de acero al carbón y cobre en un diámetro
adecuado para los flujos que se manejen.
Agua para servicios varios
Este tipo de agua se utiliza para las operaciones de lavado y limpieza del
biorreactor y del área de proceso. Esta agua puede ser potable, debe estar libre
de sedimentos, pero no requiere ningún tratamiento adicional.
ENERGÍA ELÉCTRICA
La instalación eléctrica tiene como propósito proporcionar la energía para accionar
bombas, compresores, motores eléctricos y otros equipos mecánicos,
instrumentos, tableros de control y alumbrado. El sistema se debe adecuar para
entregar en el punto que se requiera la energía necesaria sin causar
sobrecalentamiento o cambios de voltaje innecesarios, lo cual se logra a través de
líneas de alambrado que unen el generador con el punto donde es necesaria la
energía, conectando todos los componentes que se dividen en secciones según el
servicio y el área, dando lugar a los circuitos.
El sistema eléctrico básico está constituido por la fuente, el equipo de
transformación, los dispositivos de protección, las líneas de distribución y los
puntos de uso.
Elementos del sistema eléctrico
Voltajes de distribución
La energía comprada o generada se suministra a voltajes muy altos y para usarse
en la planta debe ser reducida al voltaje de utilización, para esto se requiere el uso
de subestaciones reductoras o transformadores. El voltaje de operación
recomendado por los fabricantes de motores y demás equipo eléctrico aparece en
la placa o en las instrucciones de operación de dicho equipo. La especificación
típica para motores eléctricos y demás equipos accionados eléctricamente es de
120 V, 240 V y en algunos casos hasta 480 V, los instrumentos generalmente
necesitan voltajes de 12-24 V.
Corriente: puede ser de dos tipos: la corriente alterna (AC), que es periódica con
pequeñas oscilaciones, desde un valor máximo en un sentido hasta el mismo valor
pero en sentido contrario, de tal manera que su intensidad media es nula; y la
corriente continua o directa (DC o CC), que proporciona un valor constante todo el
tiempo, como la producida por dínamos, pilas y acumuladores.
Dispositivos de protección
Los circuitos y equipos deben ser protegidos por dispositivos que abran los
circuitos para que la corriente no fluya en condiciones de sobrecarga o falla, lo
cual se hace a través de interruptores. Mediante los transformadores se obtienen
voltajes reducidos que alimentan los diferentes circuitos, cada uno de los cuales
debe tener su interruptor de desconexión.
Equipo eléctrico para áreas peligrosas
Cuando las materias primas o productos de la biorreacción son potencialmente
peligrosos, es decir, emiten cantidades de partículas muy pequeñas a la
atmósfera, pueden penetrar hacia los circuitos eléctricos e iniciar una chispa (por
ejemplo, polvos, solventes, entre otros), tanto el equipo eléctrico como los
transformadores, mecanismos de distribución y motores deben ser especificados a
prueba de explosión.
Conductores
Del punto de suministro al punto de utilización (equipo, compresores, bombas,
etcétera), la corriente eléctrica se distribuye por medio de conductores que pueden
ser alambres, cordones o cables, los cuales pueden ser vistos como las arterias y
venas por donde viaja la corriente:
Hilo o alambre: es un conductor constituido por un único alambre macizo,
generalmente de cobre.
Cordón: conductor constituido por varios hilos unidos eléctricamente
enrollados helicoidalmente alrededor de uno o varios hilos centrales.
Cable: conductor formado por uno o varios hilos o cordones aislados
eléctricamente entre sí. Según el número hilos o cordones que lleva un
cable se denomina unipolar, bipolar, tripolar, etcétera.
Los cables son canalizados en las instalaciones dentro de tuberías metálicas o
canales para protegerlos de agentes externos como la humedad, la corrosión, los
golpes, etcétera, que se sujetan al techo o paredes por medio de soportes. En
algunos lugares se entierran dichas tuberías bajo el piso, aunque esto lo hace de
difícil acceso y mantenimiento.
OBJETIVO
El alumno identificará los servicios auxiliares necesarios para la operación de un
biorreactor, describirá sus componentes y explicará su funcionamiento.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Para la sesión de introducción de esta práctica el alumno buscará, en todas las
fuentes posibles, información sobre los tipos de sistemas de compresión de aire,
generación de vapor y agua de enfriamiento que se emplean en la industria
biotecnológica. También investigará los elementos básicos de una instalación
eléctrica industrial.
Para la sesión experimental:
Se mostrará a los alumnos el cuarto de calderas, se les pedirá que
identifiquen todos sus componentes y la elaboración del diagrama de flujo
de este sistema.
Se expondrán a los alumnos los diversos compresores con que cuenta la
planta piloto y los laboratorios, se les pedirá que identifiquen y describan
sus componentes y los clasifiquen de acuerdo con los tipos encontrados en
la literatura.
El profesor y el técnico a cargo describirán los procedimientos de arranque
y paro de la caldera y los compresores, así como una breve descripción de
su funcionamiento.
Los alumnos identificarán las líneas de agua, vapor, aire y electricidad de la
planta piloto, observando su ruta y registrando sus características:
materiales, aislamiento, diámetros, color, etcétera. Se hará lo mismo en el
laboratorio de biorreactores indicando la clasificación de colores en caso
que la haya. Los alumnos realizarán un esquema tipo lay-out de la planta
piloto indicando las rutas de estos servicios hasta los biorreactores que se
utilizarán en prácticas posteriores.
Se mostrará a los alumnos el biorreactor New Brunswick Scientific para que
identifiquen en éste las líneas de suministro de agua, aire, vapor y
condensados, así como sus accesorios (filtros, trampas de vapor,
reguladores de presión, válvulas, etcétera). Se hará especial énfasis en los
filtros para aire y vapor, y en el sistema de esterilización para las líneas de
agua y aire. Los alumnos observarán el cambio de materiales en las
tuberías de entrada al biorreactor.
En cada actividad los alumnos deberán anotar sus observaciones en la bitácora,
acompañándolas de esquemas, dibujos y demás documentos.
FORMULACIÓN DE RESULTADOS
El alumno realizará un informe de las actividades desarrolladas que deberá
contener los siguientes puntos:
Introducción.
Objetivo.
Tipo y descripción de caldera.
Tipo y descripción de compresores.
Diagrama de flujo de servicios.
Diagrama de ruta de servicios.
Observaciones sobre cada una de las actividades realizadas.
Conclusiones generales sobre el desarrollo de la práctica y bibliografía.
BIBLIOGRAFÍA
Clayton, A. (2000), Curso de operación y mantenimiento preventivo a generadores
de vapor.
Lydersen, B. K., D’Elia N. A., Kim, L. N. (1994), Bioprocess Engineering: Systems,
Equipment and Facilities, John Wiley and Sons, Inc., USA.
Perry, R. H., Green, D. W. (2004), Manual del Ingeniero Químico, McGraw-Hill.
Rase, H. F., Barrow, M. H. (1981), Ingeniería de proyectos para plantas de
proceso, CECSA.
PRÁCTICA 4
Tiempo de mezclado en biorreactores
INTRODUCCIÓN
En un medio de cultivo líquido en el que se lleva a cabo una biorreacción
coexisten varias fases: la líquida, la sólida, la gaseosa y en ciertas ocasiones otra
fase líquida inmiscible en agua.
Las fases deben estar lo más homogéneamente distribuidas en todo el líquido.
Esto se garantiza cuando existe un buen y eficiente mezclado.
Un mezclado ineficiente puede causar regiones con gradientes de
concentraciones de los distintos componentes del medio de cultivo (nutrientes,
oxígeno disuelto, células microbianas, pH y temperatura -aunque este último no
sea un soluto-) que a su vez pueden ocasionar un perjuicio en la biorreacción
reflejándose, por ejemplo, en lo obtención de bajas productividades y rendimientos
de la misma. Por ello, es importante estudiar el efecto de las variables de
Conc
entr
ació
n ( d
e un
traz
ador
)
Tiempo
C1
C295% de C2
tmt0
Figura 1. Representación gráfica de la adición de un trazador a un líquido agitado en la que se aprecia la obtención del tiempo de mezclado “tm“. “t0“ es el tiempo inicial en que se agrega el trazador.
operación de un biorreactor sobre el grado de mezclado que se pueda alcanzar en
el líquido.
La eficiencia del mezclado puede describirse mediante el tiempo de mezcla (tm), el
cual se define como el tiempo que transcurre desde la adición de un trazador en
un líquido en agitación, hasta que se alcanza un determinado grado de
homogeneidad del mismo (que suele ser del 95%) en la mezcla líquida (Figura 1).
En los biorreactores sumergidos el mezclado se logra mediante la agitación del
líquido y esta, a su vez, se logra mediante 3 formas: agitación mecánica,
neumática o con una combinación de ambas.
La agitación es la operación por la cual se induce el movimiento violento e
irregular de un fluido con el objetivo de alcanzar un fin determinado con los
menores tiempos y consumos de energía posibles. Los objetivos a alcanzar
pueden ser:
Producir y mantener una distribución o mezcla uniforme de los
componentes disueltos (o suspendidos) en un líquido (mezclado y
suspensión homogénea de partículas sólidas y de las fases que componen
al fluido).
Producir o mantener una distribución uniforme de calor (que no existan
gradientes de temperatura en el fluido).
Aumentar la velocidad de transferencia de masa mediante el incremento del
área interfacial específica de las distintas fases que constituyen al fluido
(transferencia de oxígeno en las biorreacciones aerobias).
Estos distintos objetivos pueden alcanzarse a distintas intensidades de agitación y
de consumos de energía o de potencia. En un biorreactor pueden existir 3 distintas
potencias: la potencia necesaria para agitar mecánicamente un líquido sin airear
que conoceremos como “potencia de agitación sin aireación” o P0; la potencia
necesaria para agitar mecánicamente un líquido aireado que conoceremos como
“potencia de agitación con aireación” o Pg y la potencia necesaria para inyectar el
aire en el medio líquido contenido en un biorreactor a un flujo determinado que
conoceremos como “potencia de aireación” o Pa. En un biorreactor tipo tanque
agitado existen las 3 potencias, mientras que en los biorreactores de tipo
neumáticos (airlift y de columna) solo existe la Pa.
TANQUE AGITADO MECÁNICAMENTE
La agitación del caldo de cultivo en un biorreactor tipo tanque agitado
mecánicamente, se lleva a cabo mediante las siguientes dos formas:
Por el movimiento de dispositivos mecánicos llamados impulsores.
Por el movimiento ascendente de las burbujas de aire inyectadas en el seno
del líquido.
La intensidad de agitación del caldo de cultivo depende fundamentalmente de la
velocidad de giro de los impulsores (N) y en menor medida de la velocidad de
aireación o flujo de aire (Fa).
La agitación y aireación en un biorreactor tanque agitado se realiza para alcanzar
los siguientes propósitos:
Suministrar el oxígeno necesario a los microorganismos a la velocidad que
lo requieren para que realicen apropiadamente sus actividades metabólicas.
Mantener en suspensión a los microorganismos.
Para un biorreactor tipo tanque agitado con impulsores de tipo Rushton de
configuración geométrica estándar girando a una determinada velocidad que
ocasione que el líquido sin airear circule en régimen turbulento (Re > 104), la P0 se
calcula de la siguiente manera:
P0=6(¿¿¿ i)(FC )(ρ N 3 Di5)¿ (1)
Ecuación en la que:
P0 = potencia de agitación sin aireación [Watts]
#i = Número de impulsores
FC = Factor de corrección
= densidad del líquido [kg/m3]
N = velocidad de giro de los impulsores [rps]
Di = diámetro de los impulsores [m]
A su vez, el factor de corrección es:
FC = Factor de corrección [adimensional] = 13
2√( DT
Di)( H L
D i)
Ecuación en la que:
DT = Diámetro del tanque [m]
HL = Altura del líquido [m]
Mientras que el cálculo de Pg sería:
Pg=C [ P02 N Di
3
Fa0.56 ]0.43
(2)
Ecuación en la que:
Fa = flujo de aire [m3/s]
P0 = potencia de agitación sin aireación [Watts]
N = velocidad de giro de los impulsores [rps]
Di = diámetro de los impulsores [m]
Pg = potencia de agitación con aireación [Watts]
C = 4.837X10-4
Y el cálculo de Pa se realiza con la siguiente ecuación:
Pa=0.000278 Fa P1 ln( P2
P1) (3)
Ecuación en la que:
Pa = potencia de aireación [Watts]
Fa = flujo del aire [m3/s]
P1 = Presión absoluta del aire en la superficie del líquido [Pas]
P2 = Presión absoluta del aire a la salida del difusor [Pas]
COLUMNA
En estos biorreactores la agitación del caldo de cultivo se lleva a cabo
exclusivamente con el movimiento ascendente de las burbujas de aire que se
inyectan en el seno del líquido (flujo de aire) lo que induce un movimiento irregular
del fluido. El número y tamaño de las burbujas de aire dependen de la velocidad
de aireación, de las propiedades físicas del caldo de cultivo, del tipo de dispersor
primario utilizado, de la altura de la columna de líquido y de si existen o no
dispersores secundarios colocados a lo largo de la columna. Un aumento en el
flujo del aire (o velocidad de aireación), aumentará la “fracción de gas retenido” o
“Hold-Up” () así como las velocidades locales de circulación del líquido. En
sistemas aire-agua el “Hold-Up” se define como la fracción volumétrica ocupada
por el total de las burbujas de aire (VTb) en relación al volumen de la dispersión
líquido-gas o volumen del líquido aireado (Va). Matemáticamente está
representado por:
ϵ=V Tb
V a(4)
Ecuación que es equivalente a:
ε=H a−H L
H a(5)
ecuación en la que:
Ha es la altura del líquido aireado
HL la altura del líquido sin airear
El accesorio a través del cual tiene lugar la dispersión inicial del gas en el líquido
se llama dispositivo de dispersión primaria los cuales pueden ser un tubo
perforado, un plato perforado o un plato sinterizado, en donde el gas es
dispersado finamente. Las burbujas que circulan en el líquido pueden incrementar
en tamaño debido a la coalescencia, pero pueden ser redispersadas en burbujas
más pequeñas mediante dispositivos de dispersión secundaria, tales como mallas
o bandejas perforadas colocados a lo largo de la columna (Figura “3b” de la
Práctica 1).
AIRLIFT
En los biorreactores airlift la agitación del caldo de cultivo se lleva a cabo a
mediante el movimiento ascendente de las burbujas de aire que se inyectan en el
líquido, de la misma manera que en los de columna, pero que a diferencia de
estos se induce un movimiento regular del fluido al existir dos zonas bien
delimitadas en su interior, una de flujo ascendente y otra de flujo descendente con
características completamente distintas. El movimiento del líquido se debe a que
en dichas zonas la densidad de la dispersión líquido-gas es diferente. Hay mayor
cantidad de burbujas de aire por unidad de volumen de la mezcla líquido-gas en la
zona de flujo ascendente (por consiguiente menor densidad) que en la de flujo
descendente. La diferencia de las fracciones de gas retenido () entre ambas
zonas, es una medida de la diferencia de densidades entre las dispersiones
líquido-gas, la cual es la fuerza motriz para la circulación definida o regular del
líquido en el biorreactor.
La velocidad con la que se mueven las burbujas de gas en la zona de flujo
ascendente será mayor que en la descendente. En contraste a las condiciones de
una columna de burbujas, los biorreactores airlift se caracterizan por tener
menores fracciones de gas retenido global y una distribución más uniforme de la
fase gaseosa en la sección transversal de la zona de flujo ascendente. También,
en contraste con las columnas de burbujas, los airlift muestran velocidades de
líquido mucho más altas. La velocidad de circulación del líquido afecta
decisivamente todos los parámetros que caracterizan el desempeño del
biorreactor, tales como la fracción de gas retenido (), el tiempo de mezclado (tm) y
el desempeño en cuanto a transferencia de masa y calor. Las velocidades de
circulación del gas (Ug) y del líquido (UL) en los biorreactores airlift están
determinadas por el flujo de aire, la geometría del biorreactor y por las
propiedades fisicoquímicas de la fase líquida.
El mezclado del líquido es producido por la velocidad de circulación del mismo y
ocurre predominantemente en las zonas de deflexión superior e inferior, debido a
las diferencias de velocidad ahí existentes. Para una geometría definida, la rapidez
del mezclado puede expresarse en términos del tiempo de circulación (tc), el cual
se define como el tiempo requerido para que un elemento de volumen del líquido
dé una vuelta completa dentro del biorreactor. El conocimiento de los tiempos de
circulación y mezclado, así como de los factores que lo afectan es necesario para
el diseño, modelado y operación de un biorreactor airlift.
OBJETIVO
Obtener experimentalmente el tiempo de mezclado (tm) en diferentes tipos de
biorreactores y condiciones de operación (flujo de aire y velocidad de agitación),
con el método de adición de trazadores y su relación con la potencia requerida.
MATERIALES Y MÉTODOS
Biorreactores Biorreactor de tanque agitado.
Biorreactor de columna de burbujas
Biorreactor airlift
Instrumentos Cronómetros.
Rotámetros.
Termómetros.
Reactivos Solución de NaOH 6N.
Solución de HCl 6N.
Solución de azul de bromocresol (indicador de pH).
Soluciones reguladoras de pH, de 4 y 9.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Actividades previas Mida las dimensiones de todas las partes del biorreactor.
Llene el biorreactor con agua de la llave y mida la altura del líquido sin
airear (Ha).
Dependiendo del volumen del biorreactor, agregue de 0.2 a 0.5 ml de la
solución de indicador de pH.
Calibre fuera de línea el sistema de medición de pH (medidor y electrodo)
con dos soluciones buffer, una de pH 4 y otra con pH 8.
Dicho sistema de medición de pH (ya calibrado) se utilizará en el
biorreactor.
Establecimiento de las condiciones de operación
De acuerdo al tamaño y tipo de biorreactor, se probarán distintas velocidades de
agitación y de flujo de aire que les serán sugeridas por el profesor.
Determinación del tiempo de mezclado en los biorreactores:
Se utilizará el método de adición de trazadores para generar un cambio en el pH.
La variación del pH respecto al tiempo será lo que se medirá en esta práctica. Se
utilizarán como trazadores un ácido (HCl 6N) y un álcali (NaOH 6N).
Método de adición de pulsos
La adición de un pulso del trazador se realizará en una zona lo más alejada
posible del electrodo de pH. El tiempo de mezclado es el tiempo que transcurre
desde que se adiciona un pulso de ácido hasta la obtención de un 95% de
homogeneidad en el valor del pH final después del pulso. El indicador ayudará
visualmente para observar la rapidez del cambio de pH. El procedimiento es el
siguiente:
1) Agregue un volumen conocido de agua de la llave al interior del biorreactor
y mida la altura del líquido sin airear (Ha).
2) Ajuste el flujo de aire “Fa” y la velocidad de giro de los impulsores “N” (de
ser el caso) a valores conocidos.
3) Utilizando el ácido o el álcali, ajuste el valor del pH entre 8.0 y 9.0 (8.3, por
ejemplo).
4) Una vez estabilizado el valor del pH alcalino (8.3, por ejemplo), adicione
rápidamente un volumen conocido de HCl 6N para cambiar el pH a un valor
entre 3 y 4 (3.5 por ejemplo) y registre el cambio de pH con respecto al
tiempo. El volumen del pulso de HCl necesario para llegar al pH de 3.5 del
ejemplo, deberá determinarlo previamente.
5) Una vez estabilizado el valor del pH ácido (en este ejemplo 3.5), adicione
rápidamente un volumen conocido de NaOH 6N para regresar el valor del
pH a 8.3 (en este ejemplo). Registre el cambio de pH con respecto al
tiempo. El volumen del pulso de NaOH necesario para llegar al pH de 8.3
del ejemplo, deberá determinarlo previamente.
6) Repita los puntos 4 y 5 bajo la misma condición de operación (mismos Fa y
N) hasta que el tiempo de mezclado obtenido tenga una variación no mayor
al 5%. Sólo entonces podrá cambiar las condiciones de operación para
continuar con la experimentación.
7) Repita los pasos 4 al 7 para cada condición de operación (Fa y N).
Determinación de las fracciones de gas retenido global:
El procedimiento para la determinación de la fracción de gas retenido es el
siguiente:
Agregue un volumen conocido de agua al interior del biorreactor.
Mida la altura del líquido sin airear (HL).
Ajuste el flujo de aire y la velocidad de giro de los impulsores (de ser el
caso) a valores conocidos. Ya ajustados proceda a medir la altura del
líquido con aireación (Ha).
Sustituya estos valores en la ecuación 5 para obtener la fracción de gas
retenido ().
Para los biorreactores airlift, determine el tiempo de circulación (tc).
FORMULACIÓN DE RESULTADOS
Para cada condición de operación, determine el tiempo de mezclado.
Elabore una tabla que incluya el tiempo de mezclado para cambios de
pH de ácido a básico y de básico a ácido.
Para cada condición de operación, calcule la potencia de agitación sin
aireación P0, con aireación Pg y la potencia aireada Pa.
Elabore gráficas del tiempo de mezclado en función de las variables de
operación (potencias, intensidad de agitación y flujo de aire -vvm y vs-)
Para cada condición de operación en el biorreactor airlift, determine el
tiempo de circulación.
Obtenga las correlaciones matemáticas del tiempo de mezclado en
función de las variables de operación empleadas.
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
La discusión deberá incluir al menos lo siguiente:
Comparación de los tiempos de mezclado obtenidos en cada condición de
operación.
Comparación de las potencias de aireación y de agitación.
Comentarios sobre el aspecto de la dispersión líquido-gas.
BIBLIOGRAFÍA
Tanque agitado mecánicamente
Aiba, S.,A. E. Humphrey y N. F. Millis. (1973). Biochemical Engineering, 2nd.
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Weiland, P. y V. Onken. (1981). Differences in the behaviour of bubble columns
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PRÁCTICA 5
Determinación de la Velocidad de Transferencia de
Oxígeno
INTRODUCCIÓN
Las conversiones microbianas aeróbicas son reacciones de oxidación que requieren oxígeno
disuelto. Este es un nutriente que presenta 2 grandes diferencias respecto a los otros: 1) su
extremada baja solubilidad en agua y 2) que se suministra continuamente durante la
biorreacción. Consecuentemente, la velocidad con la que se transfiera el oxígeno de la fase
gas a la líquida (VTO) puede llegar a ser uno de los principales factores limitantes en la
eficiencia de la biorreacción. La VTO en un biorreactor depende de la geometría
seleccionada, de las condiciones de operación establecidas (intensidad de agitación;
número, tipo y distribución de los impulsores; aireación; temperatura; presión total, etc.) y
de las propiedades fisicoquímicas del líquido. La ecuación que describe la velocidad de
transferencia de oxígeno es:
VTO = KLA (CL* - CL) (1)
donde:
KLA: coeficiente global de transferencia de oxígeno (h-1).
KL: coeficiente de transferencia de oxígeno de la película líquida (m*h-1).
(a) (b) (c) (d) (e)Figura 1. Elemento de volumen de líquido con burbujas de aire de distintos diámetros.
A: área interfacial específica gas-líquido para la transferencia de oxígeno (m-1).
CL*: concentración de oxígeno disuelto en equilibrio con la presión parcial de oxígeno en el
gas empleado (g/l).
CL: concentración actual de oxígeno disuelto (g/l).
(CL* - CL): fuerza impulsora para la transferencia de oxígeno (g/l).
De acuerdo con la ecuación 1, para incrementar la VTO en un biorreactor, se puede elegir
incrementar por separado o de manera conjunta, el KL, el A, o la fuerza impulsora (CL* -
CL).
El KLA es un parámetro que da una idea de la rapidez con la que se transfiere el oxígeno
desde la burbuja del gas hasta el líquido contenido en un biorreactor. Es un parámetro
compuesto por el coeficiente de transferencia de masa de la película líquida (KL) y del área
interfacial específica gas-líquido (A).
Otro parámetro importante que determina también la VTO en un biorreactor es la fracción
de gas retenido (ε) o "holdup", definido como la fracción volumétrica ocupada por el total
de las burbujas de aire (VTb) en relación al volumen de la dispersión líquido-gas (Va).
= VTb/Va (2)
La “ε” se relaciona con el área interfacial específica gas-líquido (A) de la siguiente manera:
A=6 ε / Dmb (3)
Ecuación en la que Dmb es el diámetro promedio de las burbujas del gas.
En la figura 1 se muestran 5 casos hipotéticos. Todos ellos tienen en común lo siguiente: a)
el volumen de la dispersión líquido gas “Va” es único (que tiene el mismo valor); b) el
número total de las burbujas es diferente en cada uno; c) en los casos “a” a la “d” los
diámetros de las burbujas son diferentes; d) el diámetro de las burbujas de los casos “a” y
“e” son iguales.
Con este ejemplo resulta interesante analizar cuál será el valor de la “ε” en cada caso.
Si la suma de los volúmenes de las burbujas contenidas en los casos “a” a “d” es el mismo,
entonces la fracción de gas retenido “ε” será el mismo en cada caso de acuerdo a la
ecuación 2. Esto quiere decir que un incremento en la intensidad de agitación –que rompe
las burbujas en burbujas más pequeñas- no necesariamente se traduce en un incremento en
la “ε”, pero sí en el área interfacial específica “A” debido a que el diámetro promedio de la
burbuja se disminuye sustancialmente (ecuación 3). Por otro lado, si la suma de los
volúmenes del total de las burbujas contenidas es diferente en cada caso, el mayor valor de
la “ε” será en aquél en el que tenga un mayor valor de VTb (ecuación 2).
En el caso “a” la “ε” será menor que en el caso “e” debido a que en este último caso, a
pesar de que los diámetros de las burbujas sean iguales en ambos, existe una mayor
cantidad de burbujas en el mismo elemento de volumen y la VTb será mayor (ecuación 2).
Puede deducirse fácilmente que un incremento en el flujo de aire puede ocasionar un
incremento en la “ε”.
Un dispersor primario muy fino genera burbujas de diámetro pequeño. Sin embargo, en
algunos líquidos, al ascender las burbujas pequeñas tienden a unirse entre sí formando
burbujas más grandes, efecto conocido como “coalescencia” de las burbujas. Así,
dependiendo de las propiedades físicas del líquido y de su hidrodinámica, aun cuando se
cuente con un dispersor primario muy fino las burbujas pueden crecer en tamaño después
de dejar la zona de dispersión. La coalescencia de las burbujas ocasiona una disminución
sustancialmente del área interfacial específica (A) y, por consiguiente de la VTO. Existen
líquidos coalescentes (que favorecen la coalescencia) y no coalescentes (que evitan la
coalescencia).
Por lo general, un líquido puro tiene un comportamiento 100% coalescente. Sin embargo al
disolvérsele electrolitos, se va inhibiendo la coalescencia de las burbujas. La presencia de
proteínas, alcoholes y substancias surfactantes, también afecta la coalescencia. Esta y la
fracción de gas retenido, influencian fuertemente la VTO en un biorreactor al afectar el A.
Si el aire no fuera continuamente asperjado en el seno del líquido donde se desarrollan los
microorganismos aeróbicos, el oxígeno disuelto sería consumido en pocos segundos bajo
condiciones normales de operación, en razón de la baja solubilidad del oxígeno en agua. El
suministro del oxígeno es un aspecto muy importante en el diseño de biorreactores para
procesos aeróbicos.
En los biorreactores tipo tanque agitado se pueden tener altos valores de “ε” y pequeños
diámetros de burbuja (Dmb) debido al rompimiento de las burbujas de gas, por parte de los
impulsores mecánicos, en tamaños más pequeños y a un incremento en el flujo de aire, lo
que ocasionaría un incremento en el valor de A y de la “ε” que darían como consecuencia
altos valores de KLA y de VTO.
En biorreactores de columna de burbujas se obtienen fracciones de gas retenido “ε” más
grandes que en los biorreactores airlift. Su valor se ve influenciado por la velocidad de
circulación del líquido. Esta velocidad, por tanto, representa un parámetro muy importante
para adaptar la fracción de gas retenido “ε” y el tiempo de residencia promedio de las
burbujas a los requerimientos de proceso.
En los biorreactores airlift, la velocidad de transferencia de oxígeno (VTO) cambia de una
manera complicada a lo largo de la ruta de circulación del flujo líquido, debido a que el
área interfacial y la diferencia de concentración de oxígeno cambian de una altura a otra
debido a la expansión o compresión, al consumo de oxígeno y a cambios en la presión
hidrostática.
Una medición experimental de la “ε” se puede realizar haciendo uso de la ecuación 4:
ε=H a−H L
H a(4)
en la que:
Ha es la altura del líquido aireado
HL la altura del líquido sin airear
Por otro lado, existen diferentes metodologías para conocer la VTO. Entre ellas están el
método del sulfito y el dinámico.
MÉTODO DEL SULFITO.
Este método consiste en seguir el curso, y medir, la velocidad de reacción del sulfito de
sodio (Na2SO3) con el oxígeno proveniente de las burbujas del aire que se inyectan en el
fondo de una solución de sulfito de sodio utilizando el ión cobre (Cu++) como catalizador.
Así, el oxígeno reacciona con el sulfito para oxidarlo a sulfato (ver reacción “r1”) a una
velocidad tan rápida que la velocidad con la que se transfiere el oxígeno de la fase gas a la
líquida es la que limita la reacción. Esta última velocidad es comúnmente conocida como
“Velocidad de Transferencia de Oxígeno” o VTO. Al cumplirse con esta condición, la
concentración de oxígeno disuelto en la solución de sulfito de sodio será cero, siempre que
la concentración de sulfito no caiga por debajo de 0.02 molar.
Para medir la velocidad de cualquier reacción basta con medir la velocidad con la que están
desapareciendo los reactantes o con la que están apareciendo los productos. En este
método, para conocer la VTO se medirá la velocidad con la que está reaccionando
(desapareciendo) el sulfito de sodio y así, indirectamente, se medirá la velocidad con la que
está reaccionando el oxígeno o VTO. Para ello, se realiza la siguiente experimentación:
bajo condiciones establecidas de “N” y “Fa” en el biorreactor (que permanecerán
constantes durante esta experimentación), se toma, cada cierto tiempo, un volumen
conocido de muestra de la solución reaccionante de sulfito de sodio y se agrega a un matraz
que contiene un volumen conocido de una solución valorada de iodo en exceso (todos los
matraces deben tener el mismo volumen de la solución de iodo). El sulfito reacciona
rápidamente con el iodo para convertirse en sulfato (ver reacción “r2”). El exceso de iodo
(iodo residual) se titula con una solución valorada de tiosulfato (ver reacción “r3”). Se mide
el volumen gastado de tiosulfato (Vth) con respecto al tiempo (t) y se grafica
(preferentemente de forma inmediata) para obtener la pendiente que será proporcional a la
velocidad con la que se está transfiriendo el oxígeno bajo las condiciones especificadas en
el biorreactor (“N” y “Fa”). Una vez que con un mínimo de 4 puntos la pendiente de la
gráfica presente un valor de coeficiente de correlación por arriba de 0.9, se puede cambiar
la condición de “N”, “Fa” o ambas a la vez a valores conocidos. Note que conforme pasa el
tiempo, el sulfito contenido en las muestras de la solución reaccionante será cada vez
menor, por lo que al agregarse a los matraces que contienen la solución de iodo quedará
más iodo sin reaccionar y el volumen de tiosulfato gastado será cada vez mayor.
Las reacciones que se llevan a cabo en este método son:
2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4 (r1)
2 Na2SO3 + 2 I2 + 2 H2O 2 Na2SO4 + 4 HI (r2)
2 I2 + 4 Na2S2O3 4 NaI + 4 Na2S4O6 (r3)
CÁLCULOS
Para calcular la velocidad de transferencia de oxígeno se aplica la siguiente ecuación:
NO 2=VTO=m∗N ts Eq /Vm (5)
Ecuación en la que “m” es la pendiente de la gráfica del volumen gastado de tiosulfato
contra el tiempo tiempo (Vth VS t); Nts es la normalidad del tiosulfato; Vm es el volumen
de muestra y Eq es el equivalente de oxígeno a tiosulfato (Eq = ¼ = 0.25). Este último valor
proviene de observar la estequiometría de las reacciones químicas mostradas anteriormente:
se puede ver que por cada mol de oxígeno que reacciona, reaccionan 4 moles de tiosulfato
(1 a 4 = ¼ = 0.25).
MÉTODO DINÁMICO APLICADO A UN SISTEMA AIRE-AGUA.
Este método se basa en realizar y medir una variación de la concentración de oxígeno
disuelto con respecto al tiempo en un sistema aire-agua. Se utiliza un electrodo de oxígeno
adecuado y se aplica un balance de masa para el oxígeno bajo condiciones no estacionarias.
Para realizar la medición se busca tener una concentración de oxígeno disuelto lo más
cercano a cero (valor que denominaremos como CL0). Para lograrlo y al tratarse de un
sistema aire-agua, se introduce un flujo de nitrógeno puro en el fondo del líquido (sin
introducir aire) para eliminar el oxígeno que pudiera encontrarse disuelto (Figura 2).
Cuando el oxígeno disuelto se encuentra en un valor muy cercano a cero (CL0), se deja de
introducir el nitrógeno y se conecta un determinado flujo de aire (Fa) a una cierta velocidad
de agitación (N) y se procede a medir de forma inmediata la variación de la concentración
del oxígeno disuelto con un electrodo adecuado para este fin, hasta llegar a un valor
cercano al 100% de saturación (CL). Al trabajar con un sistema aire-agua en el que no
ocurre ninguna reacción química o bioquímica que consuma el oxígeno disuelto, la
variación de este con respecto al tiempo (dCL/dt) será la VTO. Por tanto, la ecuación 1 se
ajusta a:
dCL/dt = KLA(CL* - CL) (6)
donde:
dCL/dt: variación de la concentración de oxígeno disuelto con respecto al tiempo (VTO)
KLA: coeficiente global de transferencia de oxígeno (h-1).
KL: coeficiente de transferencia de oxígeno de la película líquida (m*h-1).
A: área interfacial específica gas-líquido para la transferencia de oxígeno (m-1).
CL*: concentración de oxígeno disuelto en equilibrio con la presión parcial de oxígeno en el
gas empleado (g/l).
CL: concentración actual de oxígeno disuelto (g/l).
(CL* - CL): fuerza impulsora para la transferencia de oxígeno (g/l).
Una representación gráfica de la variación del oxígeno disuelto (CL %sat) con respecto del
tiempo (t) bajo 2 condiciones diferentes de flujo de aire y de agitación se observa en la
Figura 3.
CÁLCULOS
Para conocer la VTO que se tiene a un determinado valor de Fa y de N, se integra la
ecuación 6 entre el límite inferior (CL0) y el límite superior (CL), obteniendo como resultado
la ecuación No. 7 que es la ecuación de una línea recta con pendiente igual a KLA y
ordenada al origen igual a cero.
ln(CL¿−C L0 )(C L¿−CL)
=KL A( t−t0 )(7)
Figura 2.- Equipo indispensable para la determinación del KLA en un sistema físico mediante el Método Dinámico.
Figura 3.- Variación de la concentración de oxígeno disuelto VS tiempo bajo 2 condiciones distintas.
Una vez conocido el valor del KLA, se sustituyen valores en la ecuación 1 para obtener el
valor de la VTO con CL* determinado por la Ley de Henry (para fines prácticos considere
un valor de 6 mgO2/l) y un valor de CL = 0.
OBJETIVOAplicar el método del sulfito y el dinámico para calcular la velocidad de transferencia de
oxígeno (VTO) y el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (kLa), así como
obtener la fracción de gas retenido global (ε) en diferentes tipos de biorreactores.
EQUIPO, MATERIALES Y MÉTODOS
Equipos
Biorreactor de tanque agitado.
Biorreactor de columna de burbujeo.
Biorreactor airlift.
Electrodo y medidor de oxígeno disuelto.
Reactivos
Sulfito de sodio
Sulfato de cobre pentahidratado
Solución de Yodo 0.1 N.
Solución de Tiosulfato de sodio 0.1 N.
Solución de almidón soluble al 1%.
Método del sulfito.
Preparación de soluciones
Solución de Sulfito de sodio 0.4 M.
Esta solución es la que se trabajará en el biorreactor. Se prepara justo antes de ser
empleada. Puede prepararse en el interior del biorreactor o fuera del mismo. El
volumen a preparar depende del volumen de operación del biorreactor a emplear.
Solución de sulfato de cobre (catalizador).
Se realizarán los cálculos adecuados para conocer la masa de sulfato de cobre
pentahidratado necesaria que se disolverán en un volumen pequeño de agua, pero de
tal manera que al agregarla al volumen de operación que se trabajará en el
biorreactor, la concentración final de la sal resulte de 0.0008 M.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Determinación del kLa por el método del sulfito, en el biorreactor Multigen de 2 L
o De acuerdo al volumen de operación del biorreactor (1.5 L), agregue la solución de
Sulfito de sodio 0.4 M.
o Adicione la solución de Sulfato de cobre al biorreactor para tener una concentración
final de 0.0008 M.
o Con las precauciones y medidas de seguridad adecuadas, ajustar el pH de la
solución del sulfito a un valor de 7.2 con HCl concentrado.
o Ponga a funcionar el biorreactor y ajuste el flujo de aire a 2 vvm y la velocidad de
agitación de 400 rpm.
o Una vez que el biorreactor alcanza una operación estable, se tomará una muestra de
5 ml cada 30 min. De la muestra tomada del biorreactor se toma una alícuota de 1.0
ml y se adiciona de forma inmediata a un matraz de 250 ml que contiene 10 ml de
iodo 0.1N.
o Titule el exceso de iodo de los matraces anteriores con tiosulfato de sodio 0.1N.
Registre el volumen gastado de tiosulfato de sodio.
o Graficar inmediatamente el volumen gastado de tiosulfato (Vth) vs tiempo (t).
o Si después graficar 4 puntos se obtiene un coeficiente de correlación de 0.9 o
mayor, cambie las condiciones de operación (a nuevos valores de Fa y N) y repita este
procedimiento.
Determinación del KLA por el método dinámico
1. Llene el biorreactor con agua de la llave hasta alcanzar el volumen de operación.
2. Calibre el electrodo de oxígeno disuelto e instálelo adecuadamente en el biorreactor.
3. Ponga a funcionar el biorreactor.
4. Una vez que el biorreactor alcance una operación estable, cierre el flujo del aire
(válvula del aire) y haga pasar un flujo de nitrógeno (con la válvula adecuada) hasta
que el medidor de oxígeno disuelto marque un valor cercano a cero. Puede apoyarse
en la Figura 3. NOTA: no es necesario llegar a 0% de saturación, pero sí es
necesario conocer el valor de la concentración de oxígeno disuelto con que se
iniciará la experimentación - CL0-.
5. Ya seleccionado el valor de CL0, cierre el flujo de nitrógeno y abra el flujo del aire a
un valor conocido (Fa1) y proceda a medir o registrar la concentración de oxígeno
disuelto cada cierto intervalo de tiempo (de 2 a 5 segundos). Una vez que se
alcanzan valores de concentración de oxígeno disuelto entre el 93 y 98% de
saturación, proceda a realizar un duplicado bajo estas mismas condiciones.
6. Repita el paso 4 al 5 cambiando condiciones de agitación (N) o flujo de aire (Fa) de
acuerdo al biorreactor que se trabaje.
Determinación de la fracción de gas retenido global por el método de expansión
Medir la altura del líquido aireado (Ha) y la altura del líquido sin airear (HL)
Condiciones de operación
De acuerdo al tipo y tamaño de biorreactor a utilizar y al criterio del profesor, las
condiciones de operación aquí sugeridas pueden cambiarse por otras.
Biorreactor tanque agitado.
Velocidades de agitación: 300 y 500 rpm.
Para cada velocidad de agitación se probarán los siguientes flujos de aire: 0.3, 0.6, 0.9 y 1.2
vvm.
Biorreactores de columna de burbujeo y airlift.
Velocidad de aireación: 0.3, 0.6, 0.9, 1.2 y 1.5 vvm.
MANEJO DE RESULTADOS
Para el método del sulfito
1. Elabore las gráficas del volumen de tiosulfato de sodio gastado (ml) en las
titulaciones vs el tiempo (h) y obtenga la pendiente de la misma.
2. Calcule la velocidad de transferencia de oxígeno (VTO) de acuerdo a la ecuación (5)
para cada condición de operación.
3. Calcule el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (kLa) de acuerdo a la
ecuación 1, considerando CL* = 6.0 mgO2/l y CL = 0 mgO2/l.
4. Calcule la fracción de gas retenido (ε) de acuerdo a la ecuación (4) para cada
condición de operación.
5. Elabore una gráfica del kLa en función de la fracción de gas retenido, velocidad de
agitación y velocidad de aireación.
6. Obtenga la correlación del kLa en función de cada una de las variables mencionadas
en el párrafo anterior.
Para el método dinámico
1. Tabule los valores de la concentración de oxígeno disuelto (CL) en % de saturación
VS el tiempo (s) y elabore la gráfica correspondiente, para cada condición de
operación (Fa y N).
2. Con los datos obtenidos elabore una gráfica de ln
(CL¿−C L0 )(C L¿−CL) VS el tiempo (en
segundos) y calcule el kLa (en h-1) con la ecuación 7.
3. Calcule la VTO, el kLa y la fracción de gas retenido global para cada condición de
operación.
4. Obtenga la correlación del kLa en función de la fracción de gas retenido, velocidad
de agitación y la velocidad de aireación.
DISCUSIÓN
La discusión deberá contener al menos la siguiente información:
1. Comparación de las diferentes condiciones de operación y fracciones de gas
retenido con respecto a los valores del kLa.
2. Comparación de los valores de kLa que obtuvo para cada uno de los biorreactores
empleados y explique el porqué de las diferencias.
3. Comente respecto al aspecto de la dispersión gas-líquido en cada biorreactor para
cada condición de operación.
4. Comente respecto a los valores de kLa que se obtendrían con líquidos que
promueven la coalescencia y respecto a los líquidos que la evitan.
BIBLIOGRAFÍA
TANQUE AGITADO Y COLUMNA
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