Práctica 5. Transferencia de oxígeno en biorreactores agitados y neumáticos
Transferencia de oxígeno en
biorreactores agitados y neumáticos
INTRODUCCIÓN
Tanque agitado
Las conversiones microbianas aeróbicas son reacciones de oxidación que requieren oxígeno molecular disuelto. Una gran diferencia del oxígeno con respecto a otros nutrientes, es su extremadamente baja solubilidad en agua. Consecuentemente, la transferencia de oxígeno puede llegar a ser uno de los principales factores limitantes de la productividad celular y/o de metabolitos, debido a la influencia de la concentración del oxígeno disuelto sobre las actividades metabólicas de las células.
La velocidad de transferencia de oxígeno de un biorreactor de tanque agitado depende de las condiciones de aireación y agitación y de las propiedades físicas del caldo de cultivo. La ecuación que describe la velocidad de transferencia de oxígeno (VTO) es:
(
C* C)
a k
VTO = L − (1)
donde:
kLa : coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, h-1.
C* - C : fuerza impulsora de la transferencia de oxígeno, mMoles/L.
El kLa es un parámetro que sirve para conocer la rapidez con la que se transfiere
oxígeno del aire al líquido contenido en un biorreactor. Existen diferentes métodos para determinar la velocidad de transferencia de oxígeno. En esta práctica se combinan dos de ellos, el de balance de oxígeno o medida directa con el del sulfito. Por lo tanto, se empleará un sistema físico aire-agua y no uno biológico. Un balance de oxígeno del aire considerando la entrada y la salida del biorreactor es:
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 0 5 10 32 7 T y P Q T y P Q V x . VTO o o o i i i i L (2) donde:
VL : volumen de líquido en el biorreactor, litros.
Q : flujo volumétrico de aire, litros/min. P : presión total absoluta, atm.
T : temperatura del aire, 0K.
y : fracción mol de oxígeno.
7.32 x 105 : factor de conversión.
i = a la entrada del biorreactor. o = a la salida del biorreactor.
En esta práctica para que haya una transferencia neta de oxígeno debe haber consumo del mismo, por lo que como “consumidor” de oxígeno se emplea sulfito de sodio. En este caso la reacción de oxidación es tan rápida que la concentración de oxígeno disuelto en el líquido es cero. La reacción que se efectúa es:
2 Na2SO3 + O2 2Na2SO4
Otro parámetro importante que determina la velocidad de transferencia de oxígeno de un biorreactor es la fracción de gas retenido o "gas holdup", definido como la fracción de la unidad de volumen de la mezcla gas-líquido que es ocupada por la fase gaseosa. Cuando el tamaño promedio de las burbujas es constante, una mayor fracción de gas retenido, implica una mayor área interfacial gas-líquido y en consecuencia una mayor transferencia de oxígeno.
Columna
La velocidad de transferencia de oxígeno es determinada de manera importante por el área superficial de las burbujas de aire, de aquí que el aire se disperse en forma de burbujas pequeñas para proveer una gran área de contacto entre las fases líquida y gaseosa. Sin embargo, en algunos caldos de fermentación, las burbujas pequeñas tienden a unirse formando burbujas más grandes. Así que aún con una dispersión primaria muy fina y dependiendo de las propiedades físicas del caldo de cultivo y de la intensidad de la turbulencia dentro del biorreactor, las burbujas pueden crecer hasta aproximadamente 6 mm de diámetro después de dejar la zona de dispersión.
Este fenómeno conocido como coalescencia de las burbujas, es causado por el hecho de que una película líquida entre dos burbujas de aire adyacentes se hace cada vez más delgada hasta que eventualmente se rompe.
En una dispersión gas-líquido cuyo comportamiento es 100% coalescente, el líquido es un líquido puro. Al ir aumentando la concentración de electrolitos disueltos en dicho líquido, se va inhibiendo la coalescencia de las burbujas. También la presencia de proteínas, alcoholes y substancias surfactantes, afecta el grado de coalescencia de las burbujas.
La coalescencia de las burbujas afecta entonces el diámetro de las burbujas. Éste junto con la fracción de gas retenido determinan el área superficial de contacto entre las fases líquida y gaseosa, de acuerdo a la siguiente ecuación:
(
)
(
ε)
ε − = 1 6 b d a (3) donde:a: área interfacial gas-líquido.
ε
: fracción de gas retenido. db: diámetro de las burbujas.Airlift
Si el oxígeno molecular no fuera continuamente transferido del aire al caldo de cultivo de microorganismos, el oxígeno disuelto sería consumido en pocos segundos bajo condiciones normales de fermentación, debido a la baja solubilidad del oxígeno en los caldos de cultivo. El suministro del oxígeno al caldo de cultivo de microorganismos, es por lo tanto, un aspecto muy importante en el diseño de biorreactores para procesos aeróbicos. En el transporte de oxígeno de la fase gaseosa al caldo de cultivo de microorganismos, la resistencia de la película líquida en la interfase gas-líquido es, en la mayoría de los casos, el paso limitante de la velocidad de suministro de oxígeno.
El kLa es un parámetro que sirve para conocer la rapidez con la que se transfiere
oxígeno del aire al líquido contenido en un biorreactor. Este coeficiente depende del grado de coalescencia de las burbujas. Por ejemplo, el kLa empleando una solución
acuosa con una fuerza iónica de I=0.4, es más grande, por un factor de seis, que el obtenido con agua. Esto es debido a un aumento del área interfacial.
Un efecto importante de la circulación del líquido es que disminuye la frecuencia de la coalescencia al aumentar la velocidad del líquido. Esto es resultado de que las distancias entre las burbujas de gas son más grandes debido a que las fracciones de gas retenido son menores y a que la distribución de gas es más uniforme. Además, porque disminuye el movimiento transversal de las burbujas de gas.
En general, en los biorreactores de columna de burbujas se obtienen fracciones de gas retenido más grandes, mientras que el los biorreactores airlift, la fracción de gas retenido disminuye al aumentar la velocidad de circulación del líquido. La velocidad del líquido representa por lo tanto, un parámetro muy importante para adaptar la fracción de gas retenido y el tiempo de residencia promedio de las burbujas a los requerimientos de proceso.
En los biorreactores airlift de gran altura, la velocidad de transferencia de masa cambia a lo largo de la ruta de flujo de una manera complicada, debido a que el área interfacial y la diferencia de concentración de oxígeno cambian de un punto a otro debido a la expansión o compresión, al consumo de oxígeno y a cambios en la presión hidrostática y en la velocidad local del líquido.
OBJETIVO
El alumno determinará la velocidad de transferencia de oxígeno, el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno y la fracción de gas retenido global en diferentes tipos de biorreactores
MATERIALES Y MÉTODOS
Biorreactor
1. Biorreactor de tanque agitado. 2. Biorreactor de columna de burbujeo. 3. Biorreactor airlift
Instrumentos
1. Rotámetros.
2. Analizador de oxígeno en fase gaseosa. 3. Manómetros. 4. Termómetros. 5. Medidor de pH. Reactivos 1. Na2SO3 2. Almidón en solución al 1%. 3. HCL 3N 4. NaOH 3N 5. Soluciones reguladoras de pH, de 4 y 9. Métodos
o Determinación de la velocidad de transferencia de oxígeno: mediante el método combinado del balance de oxígeno con el del sulfito.
o Determinación del kLa usando la siguiente ecuación:
kLa = VTO / C*
o C* se calcula con la ecuación de la ley de Henry.
o Determinación de la fracción de gas retenido global: método de expansión de gas.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Actividades previas
1. Preparar en el biorreactor una solución de Na2SO3 0.6N.
2. Adicionar Cu2SO4 a la solución de sulfito, para tener una concentración final de
0.25 g/L.
3. Ajustar el pH a 7.6 y mantenerlo constante durante la experimentación.
Condiciones de operación
Tanque agitado
o Las velocidades de agitación serán: 300, 500 y 700 rpm.
o Para cada velocidad de agitación, se probarán las siguientes velocidades de aireación: 0.3, 0.6, 1.0, 1.3, 1.6 vvm.
Columna
o Velocidad de aireación: 0.3, 0.6, 1.0, 1.3, 1.6 vvm.
Airlift
o Velocidad de aireación: 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 y 2.5 vvm. o Tipos de tubos de arrastre: de 2 diámetros diferentes.
Medición de la concentración de oxígeno gaseoso.
1. Una vez establecidas las condiciones de operación, medir la concentración del oxígeno del aire que sale del biorreactor, utilizando el analizador de oxígeno previamente calibrado.
Medición de la fracción de gas retenido global.
Tanque agitado y columna
1. Medir el nivel del líquido sin airear y el nivel del líquido aireado para cada condición de operación.
Airlift
1. Medir la diferencia de alturas del agua contenida en los manómetros de presión diferencial de cada zona del biorreactor,
2. Medir la distancia entre las tomas de presión estática de la zona de flujo ascendente y entre las de la zona de flujo descendente.
RESULTADOS
1. Calcular la VTO, el kLa y la fracción de gas retenido global, para cada condición
de operación. 2. Calcular C*.
3. Obtener la correlación del kLa con la velocidad de aireación, ésta expresada en
vvm y en m/s.
4. Obtener la correlación del kLa con la fracción de gas retenido.
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
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
3. Cuál es el aspecto de la dispersión gas-líquido para cada condición de operación. 4. Explicación de los valores de kLa de los líquidos que promueven la coalescencia y
de los líquidos que la inhiben.
BIBLIOGRAFÍA
Tanque agitado y columna
1. Aiba, S., Humphrey, A. E., Millis, N. F. 1973. Biochemical engineering. Academic Press.
2. Van´t Riet, K. 1991. Basic bioreactor design. Mercel Dekker, Inc. USA.
3. Wang, D .I .C., Cooney, C. L, Demain, A. D., Dunill, P., Humphrey, A. E., Lilly, M. D. 1978. Fermentation and enzyme technology. John Wiley and Sons.
Airlift
1. Chisti, M. Y. 1989. Airlift bioreactors. Elsevier Applied Science. England. 2. Merchuk, J. C. 1990. Why use airlift reactors. TiBTech. 8. 66-71.
3. Vant Riet, K. 1991. Basic bioreactor design. Mercel Dekker, Inc. USA.
4. Weiland, P., Onken, U. 1981.Differences in the behaviour of bubble columns and airlift loop reactors. Ger. Chem. Eng. 4: 174-181.