DISEÑO DE BIORREACTORES Y TRANSFERENCIA DE OXIGENO

José David Torres GonzálezBiotecnología

Ingeniería de AlimentosUniversidad de Cartagena

2012

DISEÑO DE BIORREACTORES ES UNA TAREA DE INGENIERIA COMPLEJA (Implica muchas variables)

Dimensionamiento, Tamaño del fermentador, Ecuaciones de diseño

Aireación y agitación, factores propios del proceso como la adecuada transferencia de O2 y energía, la cual va a permitir una buena mezcla, velocidad de agitación, y flujos de aire.

Escalamiento: laboratorio planta piloto escala industrial

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Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. (su diseño depende del tipo de cultivo a utilizar) Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño y son usualmente fabricados en acero inoxidable.

FUNCIONES En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales ESPECIFICAS

propicias tanto de pH, temperatura, limpieza, concentración de gases (oxígeno, CO2), nutrientes, al organismo o sustancia química que se cultiva.

OBJETIVOS DEL DISEÑO DE BIORREACTORES Agitación efectiva para mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.

Mantener constante y homogénea la temperatura.

Eliminar adecuadamente el calor (fermentación y agitación)

Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes

Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.

Mantener un ambiente aséptico y de fácil limpieza.

Maximizar el rendimiento y la producción.

Minimizar el gasto y los costos de producción.

Reducir al máximo el tiempo. 4

PARÁMETROS A CONTROLAR Temperatura (sensores de temperatura, intercambiador de calor) pH (Condensador de acidez, Condensador de alcalino, Bombas peristálticas con

mangueras de siliconas) Espuma (No se pueden realizar bien las mediciones) (Antiespumante)

TRANSFERENCIA DE CALOR

En función de los flujos de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos:

1. Lote (Batch) o discontinua. 2. Lote alimentado (Fed-Batch) 3. Continuo o quimiostato.

TIPOS DE OPERACION

Fig. Mecanismo de operación discontinuo

Desventajas (Operación Batch)- Dificultad de controlar la velocidad de crecimiento, excepto variando la composición del medio o las condiciones de proceso.- Altas concentraciones de nutrientes pueden inhibir el crecimiento debido al aumento de la presión osmótica del medio o toxicidad de nutrientes.- Alta demanda de oxígeno puede generar una limitación debido a una insuficiente capacidad del reactor para transferir O2 al medio.- Inconvenientes para remover calor.- Tiempos muertos entre procesos disminuye la productividad.

Ventajas operación (fed-Batch)- Limitar la demanda de O2 del cultivo.

- Obtener altas concentraciones de sustrato evitando el efecto osmótico y tóxico de nutrientes.

- Incrementar la tasa de producción (metabolitos secundarios, proteínas ) para maximizar el coeficiente de rendimiento.

- Maximizar el crecimiento celular

RESERVORIO BOMBABIORREACTOR

F(t)SR(t)

VR = Vf - V0

V0, X0, S0

Vf, Xf

- Opera por periodos largos; tiempos muertos bajos.

- El cultivo se mantiene con coeficientes de crecimiento constantes.

- Crecimiento balanceado, composición celular constante. (equilibrio)

-Productividad. constante y mayor.

Ventajas (Operación Continua)

• Alto costo por alta calidad de equipos y accesorios. Lo que encarece los costos de operación y trabajo• Requiere gran reservorio para almacenamiento de medio o suministro continuado de sustrato.•Se incrementa el riesgo de contaminación debido a la amplia operación• Esterilización continuada, separación continuada de producto y niveles de purificación.• Biosensores sofisticados y automatización computarizada para operación óptima.

Desventajas

TRANSFERENCIA DE OXIGENO El oxígeno es un gas poco soluble en agua [9 mg/L] solución saturada. Una vez disuelto el O2 éste tiene

que transferirse desde la burbuja de gas a cada célula individual. Para ello deben ser superadas varias resistencias parcialmente independientes:

1. Difusión desde el seno o núcleo del gas a la interfase gas – líquido; 2. Movimiento a través de la interfase gas – líquido; 3. Difusión del soluto a través de la región estancada adyacente a la burbuja; 4. Transporte del soluto a través del seno del fluido líquido; 5. Movimiento a través de la segunda región estancada asociada con la célula; 6. Transporte difusivo hacia el interior de la célula; 7. Si las células están en un floculo, agregado o partícula sólida, difusión a través del sólido hasta cada célula individual; 8. Transporte a través del citoplasma hasta el lugar de reacción.

El oxigeno es un substrato que limita el crecimiento, sin embargo, arriba de cierta concentración, el crecimiento dependerá de su disponibilidad en el medio. La ley de Henry describe la solubilidad del oxígeno y de cualquier otro gas en soluciones de nutrientes en relación a la presión parcial de estos en la fase gaseosa: C = P0 / H Donde: C = concentración de O2 de la solución de nutrientes a cierta saturación ; P0 = presión parcial del gas en la fase gaseosaH = constante de Henry que es específica para cada tipo de gas.

DEMANDA DE OXÍGENO DE UN CULTIVO

Un cultivo aeróbico de células requiere del suministro de oxígeno a una determinada

velocidad para asegurar la plena satisfacción de sus requerimientos metabólicos.

La demanda de oxígeno, NO2 ,se define como: “ La cantidad de oxígeno requerida por

unidad de tiempo y por unidad de volumen de cultivo”

xo

o Y

xN

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DEMANDA DE OXIGENO = OFERTA DE OXIGENO

VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO

)*( CCakNa L Na = flujo de oxigeno ; kL = coeficiente global de transferencia de masa; a = area superficial de las burbujas C* = Concentración equivalente del liquido en equilibrio con la presión parcial en el seno del gasC = Concentración de oxigeno en el seno del liquido ; P* : Presión de O2 en el equilibrioP : Presión de O2 en el seno de la fase gas.; H : cte. de Henry..

NA = kLa (C* - C) = H kLa (P – P*)

AGITACIÓN Diferentes clases de RODETES

ImpelerLa agitación es una operación muy importante

tanto del punto de vista técnico como económica.

La agitación es importante para:

• un mezclado homogéneo

•Una buena transferencia de masa y de calor,

permite disminuir el espesor de la película líquida

estática.

TIPOS DE BIORREACTORES Hay tres grupos de biorreactores usados actualmente para la

producción industrial:a) No agitados, sin aeraciónb) No agitados, con aeraciónc) Agitados, con aeración

Se encuentran dos tipos de biorreactores de uso muy difundidoTanque agitado , “Air lift".

BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO

Reactor de tanque agitado: Más utilizados Confiables Sistema de agitación mecánica

Características*Agitación continuaMotor en la parte superior*Inyección de aire por la parte inferior

*Burbujas: difusión de oxígeno * Contiene varios de flectores:

*Mejor mezclado*Sistema de calor por fuerachaqueta de enfriamiento o calentamientoLa relación altura diámetro (2:1 y 6:1)

GEOMETRIA

CRITERIOS PARA EL DISEÑO

FUNCIONAMIENTO BIRREACTOR DE TANQUE AGITADO En el tanque agitado, la agitación se realiza mecánicamente mediante un

eje provisto de turbinas accionado por un motor.

El aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es distribuido por una corona que posee pequeños orificios espaciados regularmente.

El chorro de aire que sale de cada orificio es "golpeado" por las paletas de la turbina inferior generándose de este modo miles de pequeñas burbujas de aire, desde las cuales difunde el 02 hacia el seno del líquido.

El sistema de agitación se completa con cuatro o seis deflectores que tienen por finalidad cortar o romper el movimiento circular que imprimen las turbinas al líquido, generando de este modo mayor turbulencia y mejor mezclado.

El tanque está rodeado por una camisa por la que circula agua, lo que permite controlar la temperatura.

BIORREACTOR AIR LIFT

En los reactores de tipo "air lift“, el mismo aire inyectado promueve la agitación.

Básicamente consiste en dos cilindros concéntricos y por la base de uno de ellos, por ejemplo el interior, se inyecta aire.

De este modo se genera una circulación de líquido ascendente en el compartimento interno y descendiente en el externo, lo que favorece el mezclado.

TIPOS DE BIORREACTORES DE ELEVACION CON AIRE

a) Elevacion con aire estandar; b) elevacion con aire wasco; c) elevacion con aire kaneguchi; d) elevacion con aire lefrancois

ESCALADO

El escalamiento involucra el estudio de los problemas asociados a transferir la información obtenida en el laboratorio (ml) y desde escala de planta piloto (lt) a escala industrial (m 3). Las condiciones de producción a pequeña escala no son, por lo general, extrapolables a la escala industrial, debido a que la fluidodinámica del sistema, los procesos de transporte y el comportamiento celular son diferentes.

Por ello, se aplica un proceso gradual, manteniendo una velocidad de transferencia de oxígeno constante, así como la potencia consumida por unidad de volumen, al tiempo que el tamaño del cultivo se va aumentando en proporción 1:10.

En cada una de las etapas de escalamiento se evalúan algunos aspectos del proceso:

1. Escala de laboratorio se llevan a cabo: la selección de cepas estudios básicos de cinéticas de crecimiento selección del medio, etc.

2. Planta piloto se optimizan las condiciones de operación forma de operación flujos, presiones Temperaturas velocidades de agitación, etc.

3. Escala industrial se lleva a cabo la producción del producto de interés a niveles rentables.

CRITERIOS DE ESCALAMIENTO

1.- Coeficiente de transferencia de oxígeno (kla) => (kla) escala1 = (kla) escala2

2.- Potencia por unidad de volumen (Pg/V) => (Pg/V)escala1= (Pg/V)escala 2

3.- Velocidad tangencial de agitación (p N Di) = (p N Di) escala1= (p N Di) escala2

4.- Mantención del NReynold ( N Di2 / ) =>r m

(N Di2 / )r m escala1 = (N Di2 / )r m escala 2

5.-Velocidad de Bombeo de aire

(F/V) => (F/V) escala1 = (F/V) escala2

Cuando una fermentacion se aumenta de escala, es importante que en la escala mayor se utilice el valor

de kLa optimo en contrado en la escala mas baja. (kla) escala1 = (kla) escala2

 I) kLa = cte ( + a d N. impeler) ( Pg /V )d vsb Nc

Donde

Pg/V: Potencia por unidad de volumen

vs : Velocidad del aire a través del estanque vacío

Nimpeler: Número de agitadores

N: Velocidad de agitación

cte, ,a d, b,c,d: Constantes que dependen del sistema

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CORRELACIONES PARA EL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE MASA Y LAS VARIABLES DE DISEÑO

II)                  kLa = cte * (F /V ) HL

vb1/2 dB

3/2

 Donde

F: es el flujo de aire

V: Volumen del líquido

HL: Altura del líquido

vb : Velocidad de ascenso de las burbujas

db : Diámetro de las burbujas

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CORRELACIONES PARA EL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE MASA Y LAS VARIABLES DE DISEÑO

MANTENCIÓN DE POTENCIA POR UNIDAD DE VOLUMEN (PG/V)

El conocer los valores potencia que se le suministra al biorreactor va a perimir mantener y controlar el nivel de agitación. Al momento de aplicarlo se debe tener cuidado de no sobrepasar los límites tanto de esfuerzo de corte máximo y nivel de trasferencia de oxígeno mínima.

(Pg/V)escala1= (Pg/V)escala2

 

Dado que siempre se cumple que: Pg/V a N3 Di2, a partir de

ello se puede deducir que (Probarlo):

  (N3 Di2)escala 1 = = (N3 Di

2)escala 2

Pg/V: Potencia por unidad de volumen; N: Velocidad de agitación, Di = diámetro del agitador

 

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Cálculo de Potencia:

Mecanismos de Agitación en Sistemas sin Gas

53i

cop

DN

gPN

Donde

Po : Potencia externa entregada por el agitador [Kgf m /s]

1 HP = 76 Kgf m/sec

gc :Factor de conversión : 9.8 kg m/Kgf sec2

N :Velocidad de rotación del impeler [rps ]

Di :Diámetro del impeler [m]

r Densidad del Fluído [kg/m3

]

Np = f( NRe modificado nDi2

r/m , geometría del sistema)

MANTENCIÓN DE VELOCIDAD TANGENCIAL, ESFUERZO DE CORTE, N Di

El conocimiento detallado de esta variable, Permite mantener el nivel de agitación adecuado y optimo. Esta variable deber ser simple y evaluada en cualquier momento dado que se puede estar trabajando con microorganismos que no resistan esfuerzos de corte mayores que los establecidos. Debe prevalecer este criterio.

(pNDi)escala 1 = = (pNDi)escala 2

 

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MANTENCIÓN DEL NUMERO DE REYNOLD

(N Di2 r/ )mEl conocer un adecuado numero de Reynolds, Asegura un nivel de agitación adecuado ya que indica si el regimen del fluido es turbulento o laminar.

(N Di2 / )r m escala1 = (N Di2 / )r m escala2

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Di = diámetro del agitador (cm)N= velocidad de rotacion del agitador (cm/s)=r densidad del liquido= m Viscosidad del fluido

TASA DE BOMBEO, F/V.

Asegura una adecuada aireación del sistema, lo cual no asegura una adecuada transferencia de oxigeno, por lo cual se debe verificar en el proceso. Siempre se cumple que la razón de Bombeo es proporcional a la velocidad de agitación, F/V N. Entonces al aplicar este criterio de escalamiento se cumple:

(F/V)escala 1 = = (F/V)escala 2

(N)escala 1 = = (N)escala 2

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La estimación de factores como la transferencia de oxigeno, el tiempo de mezclado, niveles de agitación, la capacidad de generar y eliminar calor, requieren diferentes enfoques para distintos tipos de configuraciones de biorreactores. Todo esto relacionado al tiempo es lo que hace que el diseño de estos equipos sea un complejo ejercicio de ingeniería.

CONCLUSIONES