TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN

BIOREACTORES

Ing. Mabel Luna

Transferencia de oxígeno en bioreactores

La transferencia o suministro de oxígeno VTO juega un papel importante en el escalamiento y economía en la mayoría de los procesos de fermentación aerobia, desde que éste frecuentemente es el factor limitante en la determinación del YX/S, YP/S y QP del bioreactor.

Parámetros de fermentación para procesos aireados

OBJETIVOS

La aireación y agitación en los procesos fermentativos aerobios cumple los objetivos:

Suministrar oxígeno necesario a los m.o. para alcanzar sus actividades metabólicas apropiadas.

Mantener a los m.o. en suspensión.

Transferencia de oxígeno en bioreactores• En laboratorio: matraces Erlenmeyer-Shaker.• A escala piloto e industrial: fermentadores-aire comprimido y

dispositivos mecánicos.

• En la producción industrial de levadura de panificación la agitación sólo se da por el aire comprimido que se esparce.

Transferencia de oxígeno en bioreactores• El oxígeno disuelto en el caldo se considera como un nutriente

análogo a otros nutrientes disueltos, tales como: azúcar, aminoácidos, sales inorgánicas etc. Sólo que se diferencian grandemente en su solubilidad.

• Solubilidad de nutrientes>10 000 mg/L• Solubilidad de oxígeno<10 mg/L

Razón para el suministro continuo de oxígeno al caldo del cultivo

Ejemplos de fermentaciones industriales aireadas

• Enzimas (pectinasas, celulasas, lactasa…)• Biomasa (levadura de panificación,….)• Aminoácidos (ácido glutámico,……)• Tratamiento aerobio de efluentes,..• Etc.

Cepillo aireador Difusor de burbuja

Caso: Transferencia de O2 en Fermentaciones sumergidas:

líquido deVolumen

lSuperficia Area (r) iaTranferenc paraRelacion

O2

O2

”Volumen del medio 20-30% del volumen del matraz”

Del reactor

Mecanismo para aumentar Área Superficial:

Figura 1. Biorreactor de Tanque Agitado típico. 1) Agitador; 2) Rodete; 3) Eje del agitador; 4) Difusor de aire;

5) Serpentín de calentamiento/enfriamiento; 6) Bafles; 7) Motor.

Difusor

Demanda de Oxigeno: (NA)Velocidad de consumo de oxígeno

NA = f(μ, biomasa)

2

.

O

A Yx

N

hLOg

tmMol

..

; 23

Donde:

consumido O de gramosacumulada celula de gramos

::Y2

O2oRendimient

22

...0.25.0: Og

celgOY

O2 Como nutriente, es de baja solubilidad en el agua

N

L

t

x

N : Etapa de no limitación por O2 L: Etapa limitada por O2

El oxigeno es un aceptor de electrones (mitocondrias de los procariotes) pero se comporta como nutriente

LS

Lm CK

C

Donde: CL = Concentración de Oxigeno disuelto (mg/L, mmol/L)

dt

dx

Ydt

OdN

O

A

2

1

CL

μ

0

CL ≥ 10 KS

CL = Crítico

hL

hL

.O g.2.36,1

.O de moles m.20050

N de UsualesValores2

2

A

Consumo especifico (QO) y concentración critica (CL critica) de

Oxigeno para algunos m.o.

MicroorganismoQO

(mmoles/g.h)CL critica (mg/L)

Penicillum crisogenun 3.2 0.4

S. cerevisiae 8.0 0.6

E. coli. 10.8 0.3

C. utilis - 1.1

Transferencia de Oxigeno

9. Transporte del soluto hasta el lugar de la reacción bioquímica intracelular1. Difusión del seno de la burbuja de gas hasta la interfase gas-liquido2. Paso a través de la interfase gas-liquido

(2)

(1)

3. Difusión del soluto a través de la capa de liquido aparente inmóvil adyacente a la burbuja de gas

(4)

(3) (5)

(6)

(7)

(8)

(9)

4. Transporte del soluto a través de la masa de liquido hasta la capa de liquido aparentemente inmóvil adyacente al agregado celular5. Transporte del soluto a traves de la capa adyacente al agregado celular

6. Difusión dentro del floculo celular, micelo o partícula del suelo7. Transporte hasta la envoltura celular8. Paso a través de la envoltura celular

Transferencia de Oxígeno

O2

LG

Burbuja de aire

Célula

InterfaseLiquido

(L)Gas(G)PG

pi

CLi

CL

CLi>CL

EPerfil de presiones parciales y concentraciones de Oxigeno alrededor de la Interfase Gas-

Liquido

)(´ iGgg PPkW

)(´ LLLL CCkWi

)()(´´´ LLLiGgLg CCkPPkWWWi

Flujo molar O2 que se transfiere de la fase G. a la fase L.

Flujo en el liquido:

En estado estacionario:

Ley de Henry: presiones parciales con concentraciones de líquidos

CLi CL*CL CL

PG

pi

P*

P

HCP

PHPH

C ´1

C: Concentración del gas en equilibrio con el liquidoH: Constante de Henry

Dividiendo, se obtiene un coeficiente global de transferencia de masa KL en función de variables medibles

)()(´ LLLLGg CCKHCPkWii

LLL

LG

g

CCk

W

CH

P

kH

W

i

i

´.

´

LG

gL

CH

P

kHkW

.

11´

gLL kHkK .

111

LL kK , H muy grande

KL: coeficiente global

LLLLG

L CCKWCH

PKW

*´´

LLL CCAKW *´´

reactor del liquido deVolumen

lInterfacia Areaa

)(´´ *

LLa CCaKWWVTO

2

)( *

O

LLL

Y

XCCaK

dt

dC

De gráfica:

Por área interfacial A:

En función del volumen del liquido del reactor si se define la relación:

Se obtiene la ecuación de velocidad de transferencia de oxigeno (VTO):

La ecuación general de balance de oxigeno para un fermentador, esta dado por el cambio total de la concentración de oxigeno enEl liquido:

CLi CL*CL C

L

PG

pi

P*

P

C* : conc de saturación… tablasCL : Conc. En el seno del líquido….. instrumentos

El parámetro KLa , (h-1), representa una medida de la capacidad de aireación de un fermentador en las condiciones de cultivo, geometría del fermentador, diseño del agitador, etc.

Antes de airear hay que determinar el Kla para el fermentador

Por eso: Kla es un parámetro de escalamiento.

De ahí que los valores del KLa para un fermentador con un medio de cultivo específico, deban determinarse experimentalmente o estimarse y correlacionarse, usando ecuaciones empíricas o adimensionales, con el objetivo de obtener las herramientas apropiadas de diseño y control de bioprocesos aerobios.

Métodos para Evaluar el KLa

Método de oxidación del sulfito: Na2SO3 (en lugar del medio)

Por estequiometria:

Reacción:

t 2Final Sulfito - Inicial Sulfito

VTO

4232 222

NaSOOSONa Co

*C

VTOaK L

CL = 0

Limitación del método : dan valores sobredimensionados

Método Dinámico de Humphrey (el mas usado)

Mide KLa en presencia de microorganismosRequiere de un electrodo de Oxigeno Disuelto

APb

(Ánodo)

(Cátodo)

Ag

Membrana de teflón semipermeable

Microamperimetro

Semireacciones:

(Anodo) 2PbPb

(Catodo) 222

2

e

OHeO

Calibración del OD: en dos Puntos

Punto en saturación con aire 100%Punto en cero concentración O2 (electrodo en solución

de Na2SO3

Paso 1) de Desgasificación

m A

0 100x

x

CL

2O

L

Y

X

dt

dC

paso 2) de gasificación

2

)( *

O

LLL

Y

XCCaK

dt

dC

(gas Out)Sin aire

Con aire(gas in)

0.1CL*

2OY

X

dt

dCL

CL

t

dtdC

YX

aKCC L

OL

L

2

1*

Despejando CL

Graficando

CL

aKL

1

dtdC

YX L

O2

CL*

Método Directo basado en la Operación en Estado Estacionario

Medir bien: Flujo de aire, presión, temperatura: e.e.

Medir oxígeno gaseoso

Para Fermentadores grandes

L

AL CC

NaK

*

log media

* )( L

AL CC

NaK

Medir NA y KLa

Medida O2 in y O2 out

Por balance de O2 se obtiene NA

Factores que afectan al KLaOperativos o por las características del medio.

ViscosidadTemperaturaPresencia de antiespumantesDeflectores,Geometría del agitador, etc.

Eficiencia de absorción ( )

1002

22 O

OO ε

in

ant in

Valores de para sistemas industriales 5 - 25% (13 – 15%)

0 dt

dCL

ant inA Q Q NVTO 22

in

L*

L

Q

)C a (CK ε

2

En condiciones de e. e.

Al inicio VTO, grande CL , ↓

Al final VTO, disminuye CL ,↑

Velocidad de Aireación Específica (vvm)

LV

Q

or Fermentadl líq. delVolumen de

ireFlujo de a

. líquido Volumen de

e aire Volumen d vvm

min

deducida

ε

TN . vvm A-4100352

NA: g O2 / L. h.T: KQ: Litros / min.VL: Litros

Valores típicos de vvm:

Laboratorio: 0.5 – 2.0 vvm.Industrial: 0.2 – 0.7 vvm.

Velocidad superficial del aire (vS)

or Fermentadversal delÁrea trans

ireFlujo de a vS

Da una idea del tiempo de residencia de las burbujas de aire en el fermentador

A

Q vS

Valores de vS = 30 – 300 cm/min.

Correlación general del KLa

γβS

αgL N)(v)

V

P K(aK

α, β, γ constantes que dependen del sistema. KLa: ƒ(geometría del fermentador, reología, parámetros ambientales, variables de operación)

Correlaciones de KLa

CORRELACION SISTEMA VOLUMEN (L)

REFERENCIA

KLa = Ki (Pg/v)0.95 (Vs) 0.67

KLa = Ki (Pg/v)0.72 (Vs) 0.11

KLa = 42,167 (Pg/v)0.4 (Vs) 0.50 N 0.5

KLa = Ki (N)1.33 (D)0.24 (Vs) 0.50

KLa = Ki (Pg/v)0.56 (Vs)0.7 N0.7

KLa = Ki (T)0.20 (H)-1.3 N1.5 D2.3 Vs0.60

KLa = 6,76x10-3 (Pg/v)0.94 (Vs) 0.65

KLa = 3,2x10-3 (Pg/v)0.35 (Vs) 0.41

KLa = Ki (Pg/v)0.33 (Vs) 0.56

Agua con ionesCaldo levaduraAgua con ionesAgua con ionesAgua con ionesAgua con ionesAgua con ionesCaldo levaduraCaldo micelial

5-6520000100-42000100-1000500-1000100-10000082-1520-30000

Cooper et al. (1994)Cooper et al. (1994)Richards (1961)Fukuda et al. (1968)Fukuda et al. (1968)Asai of Komo (1982)Vilaca et al. (2000)Montes et al. (1999)Taguchi et al. (1968)

Para agua – sulfito (Newtoniano)KLa = 6,76 x 10-3 (Pg / v)0,94 (Vs)0,65

Para solución acuosa sulfito – goma xantano (No Newtoniano)

KLa = 7,76 x 10-3 (Pg / v)0,80 (Vs)0,62

KLa = ( a + b Ni) ( Pg )0,77 (Vs)0,67 , Cooper et.al v

KLa = ( a + b Ni) (Pg/v) 0,56 (Vs)0,7 (N)0,4 , Richards

Correlaciones de KLa