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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

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Page 1: ingrangel.net · Web viewEste tipo de biorreactores carece de un sistema de agitación mecánica para mezclar o agitar el líquido de reacción. Esto se logra exclusivamente a través

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

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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

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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

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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.

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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.

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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,

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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.

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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.

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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

Bull, D.N., Thoma, R.W., Stinnett, T.E. (1983), “Bioreactors for Submerged

Culture”, Adv. Biotech, Process, 1: 1-30.

Charles, M. (1985). “Fermentation Scale-Up: Problems and Possibilities”, Trends in

Biotech, 3: 80-84.

Schüegerl, K. (1982), “New Biorreactors for Aerobic Processes”, Int. Chem. Eng.,

22: 591-610.

Schüegerl, K. (1985), “Nonmechanical Agitated Biorreactor Systems” en

Comprehensive Biotechnology, M. Moo-Young, Pergamon Press, 2: 99-118.

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Sitting, W. (1983), “Fermentation Reactors”, Chem. Tech., 13: 606-613.

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

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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

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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)

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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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Aiba, S., Humphrey, A. E., Millis N. F. (1973), Biochemical Engineering, 2ª edición,

Edition Academic.

Harper, E. H. (2000), El ABC de la instrumentación en el control de procesos

industriales, Limusa, 1ª edición, México.

Lydersen, B. K., D’Elia N. A., Kim, L. M. (1994), Bioprocess Engineering: Systems,

Equipment and Facilities, John Wiley and Sons, Inc., USA.

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.

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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.

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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.

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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:

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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:

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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

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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

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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.

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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.

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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).

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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).

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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

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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).

Page 54: ingrangel.net · Web viewEste tipo de biorreactores carece de un sistema de agitación mecánica para mezclar o agitar el líquido de reacción. Esto se logra exclusivamente a través

(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.

Page 55: ingrangel.net · Web viewEste tipo de biorreactores carece de un sistema de agitación mecánica para mezclar o agitar el líquido de reacción. Esto se logra exclusivamente a través

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).

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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:

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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

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(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).

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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).

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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.

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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.

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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.

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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.

Page 64: ingrangel.net · Web viewEste tipo de biorreactores carece de un sistema de agitación mecánica para mezclar o agitar el líquido de reacción. Esto se logra exclusivamente a través

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.

Page 65: ingrangel.net · Web viewEste tipo de biorreactores carece de un sistema de agitación mecánica para mezclar o agitar el líquido de reacción. Esto se logra exclusivamente a través

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.

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BIBLIOGRAFÍA

TANQUE AGITADO Y COLUMNA

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