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1 Determinación del coeficiente de transferencia de oxigeno Edgar Rodríguez García, Osiris Jair Patiño Chávez, Jacob Correa Soto, Viviana Yaneli Ramirez Carrazco, Claudia Jesica Gonzales Gutierrez. Práctica 3. Equipo 2. Universidad Autónoma de Querétaro. Facultad de Química. Ingeniería en Biotecnología. Laboratorio de Bioingeniería. Sexto semestre. Responsable: Dr. Julian Carrillo Reyes . 4 de marzo del 2015. Contenido Página I. Introducción………………………………………………………………………………………..2 II. Conocimientos previos………………………………………………………………………..3 III. Objetivo………………………………………………………………………………………………3 IV. Metodología……………………………………………………………………………………….3 a. Material y equipo………………………………………………………………………3 b. Reactivos y soluciones……………………………………………………………….3 c. Requerimientos de seguridad……………………………………………………3 d. Disposición de residuos……………………………………………………………..3 e. Procedimiento…………………………………………………………………………..3 f. Diseño experimental………………………………………………………………….3 V. Resultados…………………………………………………………………………………………6 a. Cálculos…………………………………………………………………………………..6 VI. Conclusiones……………………………………………………………………………………..14 VII. Bibliografía………………………………………………………………………………………..15 Bioingeniería

En Bioprocesos Aerobios Intro

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Bioprocesos aerobios

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  • 1

    Determinacin del coeficiente de transferencia de oxigeno

    Edgar Rodrguez Garca, Osiris Jair Patio Chvez, Jacob Correa Soto, Viviana Yaneli Ramirez Carrazco, Claudia Jesica Gonzales Gutierrez. Prctica 3. Equipo 2. Universidad Autnoma de Quertaro. Facultad de Qumica. Ingeniera en Biotecnologa. Laboratorio de Bioingeniera. Sexto semestre. Responsable: Dr. Julian Carrillo Reyes . 4 de marzo del 2015.

    Contenido Pgina

    I. Introduccin..2

    II. Conocimientos previos..3

    III. Objetivo3 IV. Metodologa.3

    a. Material y equipo3 b. Reactivos y soluciones.3 c. Requerimientos de seguridad3 d. Disposicin de residuos..3 e. Procedimiento..3 f. Diseo experimental.3

    V. Resultados6

    a. Clculos..6 VI. Conclusiones..14

    VII. Bibliografa..15

    Bioingeniera

  • 2

    Introduccin: En bioprocesos aerobios el oxgeno es un sustrato clave debido a su baja solubilidad en

    soluciones acuosas, por lo que necesita de un suministro continuo. La tasa de

    transferencia de oxgeno (OTR) debe ser conocida y predicha para lograr un diseo y

    funcionamiento ptimo y el escalamiento del biorreactor. La concentracin de oxgeno

    disuelto en una suspensin de microorganismos aerobios; depender de la tasa de

    transferencia de oxgeno de la fase gaseosa a la lquida, la velocidad en la que el oxgeno

    es transportado a las clulas y en la tasa de consumo de oxgeno (OUR) del

    microorganismo para su crecimiento y mantenimiento. (Garca, 2009)

    Figura 1. Pasos y resistencias para la transferencia de oxigeno de una burbuja al interior de la celula .

    La transferencia de masa gas-lquido en un proceso biotecnolgico

    est fuertemente influenciada por las condiciones hidrodinmicas

    del biorreactor. Estas condiciones son conocidas por ser una

    funcin de disipacin de energa que depender de las condiciones

    de operacin, las propiedades fisicoqumicas del cultivo, los

    parmetros del biorreactor y la presencia de clulas consumidoras

    de oxgeno. (Garca, 2009)

    Los biorreactores de tanque agitado y de columna de burbujas son

    ampliamente utilizados en una gran variedad de bioprocesos

    (como el tratamiento de aguas residuales). Estos proporcionan

    altos valores en la tasa de transferencia de masa y calor. En estos

    sistemas un elevado nmero de variables afectan la transferencia de masa, los ms

    Figura 2. El KLa es un factor limitante en el escalamiento de un proceso que implique cultivo en biorreactores.

  • 3

    relevantes son la velocidad de agitado, el tipo y nmero de agitadores y la tasa de flujo del

    gas utilizado. (Garca, 2009)

    La transferencia de oxgeno es a menudo el factor limitante de la velocidad de un

    bioproceso aerbico debido a la baja solubilidad del oxgeno en el medio. La medicin y la

    prediccin correcta del coeficiente volumtrico de transferencia de masa (KLa), es un paso

    crucial en el diseo, operacin y escalamiento de biorreactores. (Garca,2009)

    Conocimientos previos N/A Objetivos En la presente practica de determinara el valor del KLa del oxigeno en un biorreactor

    aerobio bajo diferentes condiciones, y con el cual se establecer el ndice de capacidad de

    aireacin del mismo.

    Metodologa

    Material y equipo

    Biorreactor applikon con control de velocidad de agitacin

    Sensor de oxgeno disuelto (OD)

    Controlador de flujo de gas

    Reactivos y soluciones

    Sulfito de sodio (67 mg/L)

    Cloruro de cobalto (0.6 mg/L)

    Requerimientos de seguridad Guantes Disposicin de residuos N/A

    Procedimiento y diseo experimental

    1er Paso. Preparacin del reactor.

    Llene el reactor a un volumen de trabajo de 3 litros, ajustando el control de temperatura a

    30 C. Asegurndose que el sensor de OD este sumergido a la altura correcta. Ajustar el

    flujo de aire que se indica en el paso tres, no conectar al reactor hasta completar el paso

    dos.

  • 4

    2do Paso. Desaireacin qumica.

    Se agregan 1.5 ml de la solucin de cloruro de cobalto y 6 ml de la solucin de sulfito de

    sodio para desplazar el OD en el reactor, agite a 200 rpm siguiendo la concentracin de

    oxigeno cada 20 segundos hasta llegar a cero.

    3er Paso. Evaluacin de factores que afectan la transferencia de oxgeno.

    Una vez que la concentracin de OD llegue a cero en el paso dos, inicie la aireacin y la

    agitacin siguiendo las condiciones que se indican en la siguiente tabla. Registre la

    concentracin de OD cada cinco segundos hasta llegar a la saturacin.

    Tabla 1.Parmetros para cada anlisis de transferencia de oxgeno y equipo responsable.

    Equipo Agitacin (rpm)

    Aireacin (Laire/Lreactor/min)

    Viscosidad (cP)

    Equipo 3 200 0.9 1

    Equipo 3 300 0.9 1

    Equipo 5 400 0.9 1

    Equipo 5 500 0.9 1

    Equipo 1 300 1.5 1

    Equipo 1 300 0.7 1

    Equipo 2 300 0.5 1

    Equipo 4 500 1.5 1.5

    Segn las indicaciones anteriores nuestro equipo (equipo 2) realizo el procedimiento con

    los parmetros que la tabla indico, el siguiente diagrama de flujo representa el

    procedimiento detallado y las pequeas variaciones que realizamos.

    Llenar el reactor con agua de la llave

    a un volumen de trabajo de 3 L.

    No se ajust el control de temperatura

    ya que sera muy tardado sin embargo

    se asegur que el sensor de OD

    estuviera sumergido a la altura

    correcta.

  • 5

    Ajustar el flujo de aire para el caso

    de cada equipo (1.5 L/min) pero an

    sin conectarlo al reactor.

    Posteriormente se ajusto el flujo a

    las condiciones de la tabla 2.

    Agregar 1.5 ml de la solucin de

    cloruro de cobalto y 6 ml de la

    solucin de sulfito de sodio para

    desplazar el OD en el reactor.

    Agitar a 200 rpm siguiendo la

    concentracin de oxigeno cada 20 o

    10 segundos dependiendo de las

    condiciones hasta llegar a cero.

    A partir de que llegue a cero iniciar

    la aireacin y la agitacin siguiendo

    las condiciones que indica la tabla 1

    y con el flujo que se haba

    establecido.

    Registrar la concentracin de OD

    cada veinte segundos hasta llegar

    a la saturacin (valor de OD igual

    a 5)

  • 6

    -20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    -150 50 250 450 650 850 1050 1250

    300 rpm 4.5 flujo 300 rpm 2.1 flujo 300 rpm 1.5 flujo 200 rpm 2.36 flujo

    300 rpm 2.36 flujo 500 rpm 400 rpm 500 rpm

    Resultados y clculos

    Grafica de la concentracin, el porcentaje de OD en funcin del tiempo (considerando

    como 100% la concentracin de OD en la saturacin), desde la desaireacin qumica hasta

    la saturacin en cada una de las condiciones evaluadas. Sobreponga las lneas en una sola

    grfica

    Tabla 2. Condiciones para llegar a la saturacin

    Equipo Agitacin (rpm)

    Aireacin

    (Laire/Lreactor/min)

    Viscosidad (cP)

    Flujo de gas (L/min)

    Equipo 3 200 0.9 1 2.7

    Equipo 3 300 0.9 1 2.7

    Equipo 5 400 0.9 1 2.7

    Equipo 5 500 0.9 1 2.7

    Equipo 1 300 1.5 1 4.5

    Equipo 1 300 0.7 1 2.1

    Equipo 2 300 0.5 1 1.5

    Equipo 4 300 1.5 15 2.7

    Figura 3. Curva de concentracin del porcentaje de oxgeno en funcin del tiempo

    Como se puede observar existe una gran relacin entre el tiempo que tarda la desairacin

    qumica con las rpm y la viscosidad del liquido, observamos que las pruebas de 300 rpm

    flujo de 1.5 y con la de 500 rpm flujo 2.7 ya que existe una diferencia entre estas dos

    pruebas de 150 segundos.

    Tiempo (s)

    % O

    D

  • 7

    Considerando la siguiente ecuacin

    1

    =

    Donde el valor a condiciones de laboratorio es es igual a 10 mg/L y es el valor de OD en

    el seno del lquido, la ecuacin anterior es una recta de 1

    vs t (h) con

    pendiente igual a - . Calcular el para cada una de las condiciones evaluadas.

    Se obtiene el grafico sustituyendo en el eje de las ordenadas la ecuacin 1

    correspondiente con cada evaluacin en funcin del tiempo y la misma herramienta de

    Excel entrega la ecuacin de la recta y obtenemos la pendiente que es igual al valor de la

    para cada evaluacin.

    Tabla 3. Valores de obtenidos de las diferentes condiciones

    Valor

    Equipo Movimiento

    (rpm) Viscosidad (cP)

    Flujo de aire (L/min)

    Aireacin

    (Laire/Lreactor/min)

    0.00091 1 300 1 4.5 1.5

    0.00037 1 300 1 2.1 0.7

    0.00041 2 300 1 1.5 0.5

    0.00066 3 200 1 2.7 0.9

    0.00078 3 300 1 2.7 0.9

    0.00208 4 300 15 2.7 1.5

    0.0012 5 400 1 2.7 0.9

    0.00185 5 500 1 2.7 0.9

  • 8

    y = -0.00091x - 0.09760R = 0.95226

    -0.9

    -0.8

    -0.7

    -0.6

    -0.5

    -0.4

    -0.3

    -0.2

    -0.1

    0

    0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

    KLa

    Tiempo (s)

    y = -0.00037x - 0.39656R = 0.35929

    -0.8

    -0.7

    -0.6

    -0.5

    -0.4

    -0.3

    -0.2

    -0.1

    0

    0 100 200 300 400 500 600 700 800

    KLa

    Tiempo (s)

    y = -0.00041x - 0.30808R = 0.29087

    -0.9

    -0.8

    -0.7

    -0.6

    -0.5

    -0.4

    -0.3

    -0.2

    -0.1

    0

    0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

    KLa

    Tiempo (s)300 rpm y 1.5 flujo Lineal (300 rpm y 1.5 flujo)

    Figura 4. Representacin de los datos obtenidos por parte del equipo 1 a 300 rpm y flujo aire de 4.5

    Figura 5. Representacin de los datos obtenidos por parte del equipo 1 a 300 rpm y flujo aire de 2.1

    Figura 5. Representacin de los datos obtenidos por parte del equipo 2 a 300 rpm y flujo aire de 1.5

  • 9

    y = -0.00066x + 0.080R = 0.964

    -0.8

    -0.7

    -0.6

    -0.5

    -0.4

    -0.3

    -0.2

    -0.1

    0

    0.1

    0.2

    0 200 400 600 800 1000 1200 1400

    KLa

    Tiempo (s)

    y = -0.00078x - 0.129R = 0.807

    -0.9

    -0.8

    -0.7

    -0.6

    -0.5

    -0.4

    -0.3

    -0.2

    -0.1

    0

    0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

    KLa

    Tiempo (s)

    y = -0.00208x - 0.22381R = 0.86563

    -1

    -0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0

    0 50 100 150 200 250 300 350 400

    -Kla

    Tiempo [s]

    Figura 7. Representacin de los datos obtenidos por parte del equipo 3 a 200 rpm y flujo aire de 2.7

    Figura 8. Representacin de los datos obtenidos por parte del equipo 3 a 300 rpm y flujo aire de 2.7

    Figura 9. Representacin de los datos obtenidos por parte del equipo 4 a 300 rpm y flujo aire de 2.7

  • 10

    y = -0.00120x - 0.22881R = 0.92599

    -1

    -0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0

    0 100 200 300 400 500 600

    KLa

    Tiempo (S)

    y = -0.00185x - 0.25500R = 0.90898

    -1

    -0.9

    -0.8

    -0.7

    -0.6

    -0.5

    -0.4

    -0.3

    -0.2

    -0.1

    0

    0 50 100 150 200 250 300 350

    KLa

    Tiempo (S)

    Figura 10. Representacin de los datos obtenidos por parte del equipo 5 a 400 rpm y flujo aire de 2.7

    Figura 11. Representacin de los datos obtenidos por parte del equipo 5 a 500 rpm y flujo aire de 2.7

    Preguntas

    Cules son las etapas de transferencia de oxgeno en un biorreactor?

    Este fenmeno ocurre en 3 etapas. Primero las molculas de gas se transfieren a la

    superficie del lquido, resultando en condiciones de saturacin o de equilibrio en la

    interface. La velocidad de trasferenciaes muy rpida y la pelcula de gas-lquido es muy

    fina, estimada de, por lo menos, tres molculas de espesor. En la segunda etapa las

    molculas de oxgeno atraviesa esta pelcula por difusin molecular. En la tercera, el

    oxgeno se dispersa en el lquido por difusin y conveccin.

    El efecto de la turbulencia en el mecanismo de la transferencia de oxgeno es crtico. En

    condiciones de reposo o de flujo laminar, la masa de oxgeno transferida es controlada por

    la difusin molecular a travs de la pelcula que permanece constante (etapa 2).

  • 11

    En condiciones de turbulencia, se produce una ruptura de la pelcula y la masa de oxgeno

    transferida es controlada por la velocidad de renovacin de la pelcula. Esta velocidad de

    renovacin de la interface puede definirse como la frecuencia a la cual un lquido de

    concentracin Cs (concentracin de saturacin del gas en el lquido mg/l) est siendo

    reemplazado por un lquido de concentracin CL (Concentracin de oxgeno en el lquido

    mg/l)

    Considerando la pregunta anterior, Cmo se define el ?

    El podemos decir entonces que es definida como el coeficiente de transferencia de

    masa de Oxgeno (OTR) en fase lquida. Donde A ser en rea de la burbuja.

    Para condiciones de Equilibrio Discontinuo, con flujo estacionario o semiestacionario, la

    ecuacin puede expresarse:

    =

    =

    As que es el coeficiente global de trasferencia de oxigeno (h-1), y usualmente ser

    empleado para caracterizar equipo de aeracin, y donde V es el volumen del lquido, m3

    Como se infiere la ecuacin 1 = ?

    Para procesos en lote la ecuacin es la siguiente:

    =

    Despejando e integrando obtenemos:

    =

    Y as obtenemos la ecuacin:

    1 =

  • 12

    Graficar el valor de obtenido en funcin de las rpm (solo aquellos valores con el mismo

    flujo de aireacin y viscosidad), ajustar con regresin lineal los datos y obtenga la ecuacin

    de la recta. Cul es el efecto de la velocidad de agitacin en el ? Basndose en la

    literatura, Cmo influye el tipo de rgimen de mezclado?

    Tabla 4. Valores de obtenido en funcin de las rpm

    Flujo aireacin (L/min)

    Viscosidad (cP)

    Valor KLa rpm

    2.7 1 0.00066 200

    2.7 1 0.00078 300

    2.7 1 0.0012 400

    2.7 1 0.00185 500

    Figura 12. Valores de graficados obtenidos en funcin de las rpm

    Existen diferentes tipos de agitadores cuyas finalidades son:

    Dispersar el aire en la solucin de nutrientes.

    Obtener una temperatura y una concentracin de nutrientes uniforme en todo el

    recipiente.

    Suspender los microorganismos y nutrientes slidos.

    Dispersar lquidos inmiscibles presentes.

    Los agitadores rotativos son los ms comnmente utilizados en fermentaciones. El

    mezclado de las fases se debe al movimiento de rotacin de un mvil de agitacin, unido a

    un eje conectado a un motor elctrico (Scriban, 1985).

    y = 4E-06x - 0.000R = 0.918

    0

    0.0005

    0.001

    0.0015

    0.002

    150 200 250 300 350 400 450 500

    KLa

    rpm

  • 13

    Entre este tipo de agitadores se encuentran: los mviles de agitacin de gasto radial (las

    turbinas Rushton y de paletas encorvadas, los agitadores Spin, de ancla y la paleta), los de

    gasto axial (las hlices marinas, de doble flujo y de grandes paletas delgadas y el agitador

    de cinta helicoidal) y los de gasto radial y axial (la turbina con paletas inclinadas) (Scriban,

    1985).

    La turbina de Rushton es el tipo de agitador ms empleado, consta de varias paletas

    sujetas a un eje central (4,6 u 8) y el dimetro de esta, es normalmente entre el 30 y el

    50% del dimetro del tanque. Se utiliza para la agitacin de lquidos viscosos. La accin de

    corte de este tipo de agitador facilita la transferencia de oxgeno al disminuir la

    coalescencia de las burbujas (Scriban, 1985; Fieldson, 1988).

    Las turbinas de paletas curvas producen el mismo tipo de accin que las Rushton; cuando

    la viscosidad del fluido que se agita aumenta, como en el caso de algunas fermentaciones

    (antibiticos, polisacridos) se utilizan agitadores de rgimen radial, como el de paletas

    grandes, rectangulares o los de ancla; el agitador Spin deriva de este ltimo tipo y est

    constituido por cuatro paletas verticales dispuestas en soportes perpendiculares con

    libertad de rotacin sobre ellas mismas, en el curso de la fermentacin su posicin angular

    es ajustada automticamente a una en la que se logre el menor consumo de energa

    posible; con este tipo de agitador se logra reducir el tiempo de mezclado de medios con

    viscosidad elevada y, adems, permite una buena transferencia de oxgeno. Las hlices de

    paletas grandes delgadas se utilizan para fluidos viscosos ya que pueden utilizarse junto

    con un agitador de rgimen radial (turbina Rushton) ambas colocadas sobre el mismo eje

    (Scriban, 1985).

    Graficar el valor de obtenido en funcin del flujo de aireacin (solo aquellos valores

    con rpm y viscosidad), ajustar con regresin lineal los datos y obtenga la ecuacin de la

    recta. Cul es el efecto del flujo de aireacin en la ? Basndose en la literatura,

    Cmo influye el tipo de difusores que se utilizan en los biorreactores?

    Tabla 5. Valores de obtenido en funcin del flujo de aireacin

    rpm Viscosidad (cP)

    Kla Flujo aireacin (L/min)

    300 1 0.00041 0.5

    300 1 0.00037 0.7

    300 1 0.00078 0.9

    300 1 0.00091 1.5

  • 14

    Figura 13. Valores de graficados obtenidos en funcin del flujo de aireacin

    Una de las razones principales por las que la disponibilidad del oxgeno en el medio de

    cultivo es limitada, est relacionada con su baja solubilidad en soluciones acuosas de

    nutrientes. Para superar este inconveniente y evitar que la transferencia de oxgeno sea el

    paso controlador para el crecimiento microbiano, vindose afectado el cultivo y el

    bioproceso (Garca-Ochoa et al., 2010), se emplean como alternativas convencionales

    cambios en la velocidad de agitacin o en el flujo de aireacin o en los sistemas de

    distribucin de aire.

    Los sistemas de distribucin del aire o tipos de difusores hacen que se incremente la

    transferencia de oxigeno por que regulan el rea de contacto entre las fases liquido gas

    dependiendo del diseo del difusor, por ejemplo el uso de microburbujeadores que

    suministran el oxgeno en burbujas de gas de menor dimetro, incrementando el rea de

    contacto entre ste y el medio lquido, favoreciendo as la velocidad de transferencia de

    oxgeno (Deckwer y Schumpe, 1993) tambin este sistema comparacin con otros

    sistemas de dispersin de gases, producen un menor estrs mecnico sobre las clulas

    generando condiciones adecuadas para su cultivo.

    Conclusiones

    El estudio de los factores que afectan la transferencia de oxgeno en cualquier tipo de

    sistema de un biorreactor es fundamental para obtener una optimizacin durante el

    desarrollo y produccin de microrganismos. El estudio y entendimiento de Kla, la

    viscosidad y la aeracin nos aproxima a que el diseo de los biorreactores, y los

    bioprocesos sean mejor aprovechados e ideales para el ambiente de microrganismos

    y = 0.00055x + 0.00012R = 0.78326

    0

    0.0001

    0.0002

    0.0003

    0.0004

    0.0005

    0.0006

    0.0007

    0.0008

    0.0009

    0.001

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

    KLa

    Flujo aireacin (L/min)

  • 15

    Bibliografa.

    Garcia F. Gmez E., Bioreactor scale-up and oxygen transfer rate in microbial processes:

    An overview. Elsevier; Biotecnology advances, Spain. (2009).

    Garca-Ochoa F., Gmez E., Santos V., Merchuk J. 2010. Oxygenuptakerate in microbialprocesses: Anoverview. BiochemicalEngineeringJournal. 49(3):289-307.

    Deckwer W. D., Schumpe A. 1993. Improved Tools forbubblecolumn reactor design and scale-up. ChemicalEngineeringProcess. 48 (5): 889-911.

    Scriban Rene.1985.Biotecnologia, El Manual Moderno, Mxico, 168-2016,233.

    Fieldson Gregory. 1988. Fermenter Agitation. Tomado el 2 de marzo de 2015 de:

    http://www.esb.ucp.pt/~bungah/ferment/fermentb.htm.