UNIVERSIDAD AUTNOMA TOMS FRASFACULTAD DE CIENCIAS AGRCOLAS Y PECUARIAS CARRERA DE INGENIERA AGROINDUSTRIAL

BIOTECNOLOGATEMA 6: DISEO DE BIOREACTORES(PRIMERA PARTE) OBJETIVOS: FUNDAMENTAR LA OPERACIN DE UN BIORRECATOR AERBICO ESTABLECER EL SITEMA DE CONTROL DE VARAIBLES ESTABLECER LOS TIPOS DE BIORREACTORES ESTABLECER LOS SISTEMAS DE AIREACIN, AGITACIN Y ENFRIAM. FUNDAMENTAR EL CLCULO DE LA POTENCIA DE AGITACIN FUNDAMENTAR EL CLCULO DE LA DEMANDA DE OXGENO

REACTORES EMPLEADOS EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS

OPERACIN DE UN BIORREACTOR

INSTRUMENTACIN Y CONTROL DE UN BIORREACTOR

DISEO DE FERMENTADORES

Dimensionamiento, Vol o D o Tamao del fermentador: Con las ecuaciones de Diseo: OK Aireacin y Agitacin, P y N Permite una adecuada Transferencia de O2 y energa y una buena mezcla Se determinan potencias, velocidad de agitacin Flujos de Aire Escalamiento Laboratorio Planta Piloto Escala Industrial Instrumentacin y control Registrar variables del proceso: Controla las variables del proceso:

OK OK

AGITACIN Y AIREACINAGITACIN o MEZCLADO: Es una operacin fsica que hace al fluido ms uniforme, eliminando gradientes de concentracin, temperatura y otras propiedades. Es una de las operaciones ms importantes del bioprocesado, permite crear las condiciones ambientales ptimas, para que las clulas tengan acceso a todos los sustratos incluyendo el oxgeno el los cultivos aerobios. AGITACIN: OBJETIVOS: Mezclar el caldo de fermentacin, solubles e insolubles para obtener una suspensin uniforme. Dispersar los gases (aire) en pequeas burbujas cuando atraviesa el caldo de fermentacin. Mantener en suspensin las partculas slidas (ej. clulas). Acelerar las velocidades de transferencia de masa (nutrientes y aire) disminuyendo el espesor de pelcula lquida esttica. Mejorar la transmisin de calor hacia o desde el lquido.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE AGITACINcon fondo redondeado para evitar regiones estancadas. Impulsores (impeler o rodetes). Pantallas deflectoras (Baffles). Eje de rotacin. Transmite la potencia del motor al impulsores, dimetros y de acero inoxidable. Tanque

Motor Impulsor, debe ser de corriente alterna (a.c), preferiblemente de induccin y su potencia debe calcularse para manejar el doble (200%) de la potencia terica requerida para agitar el fluido y el cultivo a Re3000. Sello Mecnico: Evita la contaminacin, mantiene hermtico el sistema, sirve de amortiguador de friccin, permitir la esterilizar in situ del biorreactor, mediante una lnea de vapor sobrecalentado.

TIPOS DE RODETES (IMPELER)

(Turbina de disco con 6 palas planas) (Ancla) (Hlice)

(Canalete)

(Ancla de reja)

(Tornillo helicoidal)

POSICIONES DE LOS DEFLECTORES (BAFFLES) - Para obtener un alto grado de mezclado se utilizan placas deflectoras para romper las lneas de flujo. - Para prevenir la formacin de vrtices. Es suficiente 4.(a) Para lquidos viscosidad. de baja

(b) Separados de la pared a 1/50 el dimetro del tanque, para lquidos de moderada viscosidad. (c) Formando un ngulo con la pared del tanque, para lquidos de alta viscosidad.

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TIPOS DE FLUJO EN UN TANQUE AGITADORodetes de flujo radial. Las palas de los rodetes estn situadas de forma paralela al eje vertical del agitador. Turbina de disco con 6 palas planas (turbina Rushton) Rodetes de flujo axial. Tienen palas que forman un ngulo inferior a 90 con el plano de rotacin. Turbina de palas inclinadas

DIFERENTES SISTEMAS DE AGITACIN Y AIREACINAgitacin por paletas Agitacin por aire

2 o 3 rotores en un mismo eje

SISTEMAS AIR-LIFT

En estos fermentadores la agitacin y a aireacin se logran mediante la inyeccin de aire por la parte inferior de la cuba de fermentacin,

SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

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SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO EquipoCamisa Serpentn Lluvia Externa Intercambiador externo

Usos y limitacionesSe utiliza en equipos de tamao piloto. Alto costo y rea de transferencia limitada Bajo costo y gran rea de transferencia (pero en algunos casos no alcanza a ser suficiente) Barato y eficaz, se usa en conjunto con los serpentines. Si el serpentn no es suficiente. Aumento los costos y peligro de contaminacin e insuficiencia de aireacin.

AIREACIN: Algunas consideraciones que se debe tomar son:

Proporcionar a los microorganismos el oxgeno necesario para llevar a cabo su proceso respiratorio. La solubilidad del O2 es baja < 10mg/l se necesita alimentar en forma continua este nutriente, dado que su demanda es aproximadamente de 1g/l.

Clculo de Potencia para la agitacin en un Biorrecator Sistemas sin aireacin Sistema con aireacin Hold-up

POTENCIA DE AGITACIN: FLUIDOS NEWTONIANOS SIN AIREACIN Depende de: La velocidad del agitador, la geometra del rodete, propiedades del fluido ( , ) Todas estas variables se expresan en forma de nmeros adimensionales, como el Nmero de Reynolds del rodete y el Nmero de potencia.

Re =

N i Di2

P Np = N i 3 Di 5

Donde: P :Potencia externa entregada por el agitador (Watt) Ni :Velocidad de rotacin del agitador (impeler) (cps) Di :Dimetro del rodete o impulsor (m) :Densidad del Fludo [kg/m3] Np = f( Re modificado , geometra del sistema) : Nmero de potencia Una vez que se conoce el valor de Np (correlaciones), la potencia se calcula a partir de:

P = N P . .N i3 .Di5

Turbina Rushton de 6 palas

Dimensiones estndar

Dimensiones estndar

Cinta helicoidal

Hlice marina

Ancla

FLUIDOS NEWTONIANOS SIN AIREACIN Para un determinado rodete, la relacin entre Np y Re depende del rgimen de flujo existente en el tanque. Rgimen laminar: Re 103 105LA VISCOSIDAD NO INFLUYE

DIFERENTES CONFIGURACIONESSi la configuracin del biorreactor real fuese diferente, se deben aplicar los siguientes factores:

Dt HL Di Real Di Real Fc = HL Dt Di Estandar Di EstandarSe aplica para encontrar la potencia del biorreactor real con geometra diferente al estandar.

P (real) = Fc . P (estndar)GENERALMENTE:

Dt =3 Di Estandar

HL =3 Di Estandar

DETERMINACIN DEL NMERO DE IMPULSORES En los sistemas sin aireacin con un espaciamiento entre rodetes de al menos un dimetro de rodete, la potencia descipada por los diferentes rodetes puede expresarse aproximadamente como: Si se tiene un n de sets de impulsores >1

( P) n = n( P)1(P)n: (P)1: Potencia consumida por los n rodetes. Potencia consumida por 1 rodete.

Espaciamiento entre impelers Di < Hi < 2* Di HL - Di HL - 2Di > n de impeler > Di Di

EJEMPLO: Clculo de la potencia necesaria para la agitacin

DIMENSIONES ESTANDAR

Ejemplo: Realizar el diseo geomtrico de un biorreactor con impulsor turbina Rushton de 6 palas para un volumen de fermento de 3,7341 m3. Dibujar a escala.

EFECTO DE LA AIREACIN POT. NECESARIA FLUIDOS CON AIREACINCUANDO SE INYECTA GAS EN EL LQUIDO: SE REDUCE LA POTENCIA DE AGITACIN. DISMINUYE POR EFECTO DE LA DENSIDAD DEL AIRE. (Mezcla) LAS BURBUJAS AFECTAN EL COMPORTAMIENTO HIDRODINMICO DEL FLUIDO ALREDEDOR DEL RODETE. DISMINUYE LA RESISTENCIA AL FLUJO DEL FLUIDO. LA REDUCCIN EN EL CONSUMO DE POTENCIA ES NO UNIFORME. POT(gas) / POT (sin gas)DEPENDE DEL TIPO DE AGITADOR Y LA VELOCIDAD DE AIREACIN, LO CUAL SE TRADUCE EN EL GRADO DE DISPERSIN DE LAS BURBUJAS ALREDEDOR DEL AGITADOR Y DEL TANQUE.

FLUIDOS CON AIREACIN

.

N = a

Velocidad Aparente del aire a travs de una seccin del tanque Velocidad de agitacin

Fg : Flujo de aireacin [m3/seg]

Na =

Fg D i2 Ni D i

=

Fg Ni Di3

EN LOS CULTIVOS DE MICROORGANISMOS MICELIALES SE ENCUENTRA, POR LO GENERAL, QUE LAS CLULAS SUFREN DAO CUANDO LA VELOCIDAD EN LA PUNTA DEL IMPULSOR ES MAYOR A 5 m/s, (LYND, 1989).

FLUIDOS CON AIREACIN (Correlaciones empricas) Pg Log P o Di = 129 Dt 4.38

Di N i . / 24.38

0.115

Di N . g

2 i

1.96 ( Di / Dt )

Fg NiD 3 i

Pg Di 0.115 1.96 ( Di / Dt ) (Na ) Log = 129 .(Re i ) .(Fr ) P Dt o Para impulsor tipo: six flat blade turines Donde:V: Volumen del cultivo (m) Fg: caudal volumtrico del gas (m/s) Dt: Dimetro del tanque (m) g. Aceleracin de gravedad (m/s) Di: Dimetro del impulsor (m) Ni: Velocidad del impulsor (cps) Ref.: Biochemical Engenering - Katoh - Yoshida

FLUIDOS CON AIREACIN (Correlaciones empricas)

(Correlaciones: Paulin Doran, pgina 159, Katoh - Yoshida, pgina 115,

Pg

Fg = 0.10 N V Po i

0.25

N i Di . g W V 2/3 i 2 4

0.20

Fg: Caudal volumtrico del gas (m/s) g. Aceleracin de gravedad (9,81 m/s) Wi: Ancho de la paleta del rodete (m) (Para impulsor flat-blade turbine) (deviacin media de la ecuacin: 12%)

V: Volumen del lquido (Mosto) Di: Dimetro del impulsor (m) Ni: Velocidad del agitador (cps)

Para las condiciones de Na : 0 12 * 103 Pg/Po: 0.3 - 1,0

Ref: Aiba S (1973) Biochemical Engineering Academic Press, NY.

np: Nmero de paletas

GRFICO Na vs Pg/Po - Flat blade turbine

VELOCIDAD DE FLUJO DE AIREPara determinar la velocidad de flujo de aire necesario, se puede tomar como dato la demanda de oxgeno, considerando la eficiencia de absorcin, E (3-30%). La tasa especifica de aireacin se entrega en volumenes de aire por volumen de lquido por minto o vvm.

vvm =

Faire N A 22.4 T = Vliquido 1000 0.21 E 273 60

NA: en [milimoles O2/ h l] T: en [K] : Presin [atm] Generalmente - A nivel laboratorio - A nivel Industrial

aireacin = 1.5 vvm aireacin = 0.2-0.7 vvm

Ref: Acevedo F.,Gentina JC., Illanes A (2002) Fundamentos de Ingeniera Bioqumica, Ed. Universitarias de Valparaso

VELOCIDAD DE FLUJO DE AIREOtra forma es expresar la aireacin: Como velocidad superficial del aire, vs.

Fg = vs AtvS = Fg At vS = Fg

.Dt2 4

At: Area de la seccin transversal del fermentador. Usualmente vs est entre 30 -300 [cm/min]

Ref: Acevedo F.,Gentina JC., Illanes A (2002) Fundamentos de Ingeniera Bioqumica, Ed. Universitarias de Valparaso

HOLD-UP DE LAS BURBUJAS Al adicionar aire a un tanque agitado las burbujas tienden a arrastrar un volumen de liquido. La altura a la cual arrastrada el lquido se llama Hold-up, Ho (%). Dicho valor es un porcentaje de la altura total de lquido en el tanque, HL. Para determinar este valor es necesario aplicar la siguiente correlacin:

Ho (%) = ( Po/V)0.4 vs0.5 Donde:

( P ) n = n( P ) 1

Po/V : Potencia por unidad de volumen del sistemas sin gasificar (HP/m) vs: velocidad lineal de aire en el tanque vaco (m/hr)

Aplicaciones de los diferentes tipos de impulsores: 1. Para lquidos poco viscosos 2. Para lquidos muy viscosos

Impulsores para fluidos poco viscosos

Hlice Pitch = 1,5

Palas inclinadas W=D/5; ngulo=45

Turbina de disco Rushton L= D/4; W=D/5 y

Impulsor de 3 palas inclinadas (hydrofoil) Varios ngulos e inclinaciones de palas

Impulsores para fluidos muy viscosos

Ancla Wi= Di/10 h= Hi=Di

Espiral dupla Dint= Di/3 Wi= Di/6

IMPULSOR DE HLICE:Para fluidos de baja viscosidad ( < 2 Pa.s). El patron de circulacin es axial. Suspensin de slidos, mezcla de fluidos inmiscibles y transferencia de calor. Posee una amplia gama de rotaciones Di = 1/10 Dt Di = Dimetro de hlice T = Dimetro de tanque

TURBINA DE PALAS RECTAS: Gran intervalo de viscosidades: 10-3 10 6

101 2 10 3

> 10

3

10 100 1000 104 cPs 10Viscosidade6

105 litros Pa.s 103 102 101 100

Extrusor Moinho 5-30 rpm de rolos ncora, Banda dupla helicoidal 5-60 rpm Ps 10-100 rpm Turbina 90-400 rpm Hlice (1750 rpm) (3400 rpm)H e lic

10 10 10

5

4

3

10

2

Hlice (420 rpm)m)

10-1 10-2

0 15 (1 rp

10 Volume

1

101 102

103

104

105 m3