10. escalamiento de bioreactores

7/23/2019 10. Escalamiento de Bioreactores

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Criterios para el escalamiento

P/V = potencia/volumen

Pg/V = potencia de agitación con aereación/volumen

kLa = coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno

ND = Velocidad de rotación del agitador*Diámetro del rotor del agitador

Re = Número de Reynolds

F/V = Flujo específico de aire (volumen de aire) por volumen de líquido por minutotM = Tiempo de mezclado

Semejanza geométrica



P/V = potencia/volumen


Fue el primero en ser utilizado

Desventaja: Disminuye conforme aumenta el sistema Sobredimensionamiento

kLa = coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno

Se fundamenta en la importancia de la adecuada oxigenación

Sólo se utiliza cuando el suministro de oxígeno sea limitante o crítico en el proceso

Desventaja: Sólo en procesos aereados

ND = Velocidad de rotación del agitador*Diámetro del rotor del agitador

Es proporcional a la velocidad circunferencial de la punta del rotor y al esfuerzo cortante

Tiene efecto directo sobre dispersión de aire, mezclado y stress metabólico.




Re = Número de Reynolds

Depende del diámetro del reactor y de la velocidad de agitación

En escalamiento Re es independiente del tamaño

Desventaja: Conocer las características reológicas del medio de cultivo

tM = Tiempo de mezclado

Es una medida del grado de idealidad del equipo en cuanto al grado de mezclado

alcanzado

Este valor es función de la escala o tamaño

Considerando similitud geométrica y régimen turbulento:

61

4

)/( N Dk t M




Por lo tanto un diseño en base a tM constante es de la forma:

Desventaja:

En ocasiones ésta ecuación proporciona

valores muy elevados de velocidad de agitación

25.0

1

2

12

D

D

N N

El cálculo de tM puede obtenerse de las siguientes formas:

Si ND= cte

Si P/V = cte

28.0V k t M

20.0

V k t M




¿Qué criterio debemos de utilizar para el escalamiento?

Criterio N (rpm)

P/V=constante 1077

Pg/V= constante 85

kLa= constante 79

ND= constante 50

tM= constante 1260

Aereación constante

Bioreactor de 10,000 L




¿Qué criterio debemos de utilizar para el escalamiento?

Variables 20 L 2500 L

P 1.0 125 3125 25 0.2

P/V 1.0 1.0 25 0.2 0.0016

N 1.0 0.34 0.8 0.2 0.04

F/V 1.0 0.34 1.0 0.2 0.04

ND 1.0 1.70 5 1.0 0.2

Re 1.0 8.5 25 5.0 1.0

Fermentación no aereada

Bioreactor de 2500 L



Ejemplo

Consideraciones:

Semejanza geométrica

kLa= constante

Fermentador piloto de 325 L

Fermentación de bacteria por lotes Medio de cultivo: melaza y sales

Fermentador con dos turbinas de disco de 6 paletas y 4 deflectores vanos

Datos experimentales:

H/T= 1.2 μL= 6 cpD/T= 0.31 CL= 3.3 mg/L

F/V= 0.7 VVM N= 260 rpm

Xfinal= 10 g ρ= 1.1 g/cm3

μ= 0.23 h-1 kLa= 385 h-1 (medido)

T= 30 °C pH= 6.2

μL= Viscosidad del líquido

CL= Concentración de O2 disuelto en el liq

VVM [=] L/tiempo



L g C /0079.0*

Cálculo de NA

Lh g N

L g h N

Y X N

A

A

A

/64.1

40.1

/1023.0

/

1

0

Sustituimos valores

1356

/0033.0/0079.0

/64.1

hak

L g L g

Lh g ak

req L

req L

Ejemplo



2. Manteniendo la semejanza geométrica, las dimensiones principales de losfermentadores son:

Ejemplo

Tamaño 1 (325 L) Tamaño 2 (32 000 L)

T1= 0.701 m T2=3,238 m

HL1=0.841 m HL2=3,936

D1= 0.217 m D2= 1,004 m

T=Diámetro del fermentador

D=Diámetro del rotor del agitador

HL= Altura del líquido



3. Cálculo de aereación en el fermentador 2 con ecuación de Eckenfelder con la

consideración de kLa constante.

VVM V

F

m

mVVM

V

F

H

H

V

F

V

F

L

L

25.0

3936

841.07.0

2

32

2

32

2

1

12

Ejemplo




sm F

m sm F

VsA F

/133.0

1.8/0164.0

3

2

A= área de sección recta del fermentador

Vs= Velocidad superficial del líquido



3. Cálculo de potencia

m K Np Re

N D2

Re

m= 1 en régimen laminar

m=0 cuando es régimen turbulento

32 D N K P L

53 D N K P

Ejemplo



Ejemplo



Ejemplo

Otra forma de calcular Np cuando no corresponde a las geometrías de la tabla anterior

53 D N

P

Np



Ejemplo

4. Cálculo de la potencia de agitación con aereación

45.0

56.0

32

F ND P K Pg

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