Tema 5-2013-14

Aireacin, Agitacin y Esterilizacin

Reactores Biolgicos y Bioqumicos

TEMA 5

TEMA 5. Aireacin, Agitacin y Esterilizacin

1. INTRODUCCIN El funcionamiento de un bioproceso est claramente influenciado por el entorno. Cualquier bioproceso implica sistemas de, al menos, dos fases (slido-lquido), o incluso tres (slido-lquido-gas). Esto hace que, en muchos casos, la velocidad global del proceso se vea dominada por los fenmenos de transporte. La aplicacin de los principios de la metodologa desarrollada para el estudio de los fenmenos de transporte y sistemas de reaccin, es la herramienta indicada para el estudio, anlisis y diseo de biorreactores.

Particularidades del diseo de biorreactores

El medio de reaccin es complejo. La poblacin celular aumenta a medida que transcurre el proceso.

La densidad de las clulas en suspensin, del sustrato y del producto son similares a la del lquido que les rodea (agua). El flujo entre las dos fases es bajo, difcil conseguir condiciones de transporte en rgimen turbulento.

La presencia de sustratos y metabolitos polimricos, as como la forma de crecimiento de algunos microorganismos (micelios) puede aumentar gravemente la viscosidad.

Algunos microorganismos pueden formar agregados celulares, limitacin de la difusin intrapartcula.

Transporte de materia AIREACINSuministro de oxgeno en cultivos aerobios. Tr a n s p o r t e d e c a n t i d a d d e m o v i m i e n t o AGITACINAgitacin en biorreactores de mezcla completa. Transmis in de ca lor ESTERIL IZACIN Esterilizacin trmica.

Muchas de las limitaciones que afectan a la eficacia de un proceso se deben a problemas de transporte. Cada una de ellos tiene un ejemplo representativo que veremos y estudiaremos


La aireacin es una operacin muy importante en los procesos aerobios dada la baja solubilidad del oxgeno en el agua y, por tanto, en el medio de cultivo. La concentracin de saturacin de oxgeno en las condiciones normales de cultivo es aproximadamente 10 mg/l, insuficiente para abastecer un proceso aerobio. Para mantener una poblacin activa, el oxgeno ha de suministrarse continuamente al cultivo, debe transferirse desde la fase gas a la fase lquida, para ser utilizado por el microorganismo.

2. AIREACIN

GAS LIQUIDO

CG

CGi

CLi CL

Transporte de oxgeno desde la fase gas (burbuja de aire) hasta la fase lquida (medio de cultivo)

La densidad de flujo de oxgeno entre fases (NO2, moles/sm2) es p ropo rc i ona l a l g rad ien te de concentraciones. Kl;(coef. individual de transferencia de materia).

)(2 iLLO CCkN =CL: concentracin de oxgeno en la fase lquida. Ci: concentracin de oxgeno en la interfase


Con ms detalle el proceso de transferencia de oxgeno consiste en:


(i) Del seno de la burbuja a una capa interna de gas

(ii) Difusin en la capa interna de gas.

(iii) Difusin a travs de una capa externa de lquido que rodea a la burbuja Etapa limitante!

(iv) Transferencia en el seno del lquido

(v) Difusin a travs de la capa de lquido que rodea a los microorganismos Etapa limitante!

(vi) Difusin a travs de la membrana celular

(viii) Transporte en el interior de la clula

Si utilizamos un coeficiente global de transferencia de materia, KL, y empleamos una velocidad de transferencia de oxgeno por unidad de volumen de reactor, NO2, queda la ecuacin:

C*: concentracin de oxgeno en la fase lquida correspondiente a la saturacin. a: rea interfacial por volumen de reactor (m2/m3)


)(' *2 CCaKN LLO =

Respecto al consumo de oxgeno por parte de la biomasa, se define la velocidad especfica de consumo de oxgeno, QO2, como el oxgeno consumido por unidad de biomasa y de tiempo. En estado estacionario han de igualarse ambas velocidades:

XQN OO 22' = X: concentracin celular

La velocidad de consumo de oxgeno puede expresarse en funcin de la velocidad especfica de crecimiento y del rendimiento biomasa/oxgeno:

OX

xLL Y

XCCaK/

*)( =Esta expresin relaciona la capacidad de transferencia del reactor (Kla) con las velocidades especficas de crecimiento importante la determinacin de Kla

Las determinaciones experimentales del coeficiente KLa se basan en la formulacin de un balance de oxgeno


La determinacin del coeficiente en las condiciones reales de operacin en el biorreactor, puede implicar, desde el punto de vista experimental, una serie de requerimientos (preparacin de medios de cultivo, inoculacin, prevencin de la contaminacin, control del proceso a nivel celular) que pueden obviarse si se trabaja con un sistema sinttico. El objetivo de los mtodos indirectos es determinar el coeficiente KLa y su dependencia con las condiciones hidrodinmicas en el biorreactor, empleando un sistema que tenga las mismas propiedades reolgicas, las mismas tendencias en la formacin de interfases y los mismos valores para la difusividad y solubilidad de oxgeno. La fiabilidad del valor obtenido depender de en qu medida se haya alcanzado la similitud.

Determinacin experimental del coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno

2*)( OLL XQCCaKdt

dC=

A) Mtodos indirectos

Estos mtodos se basan en la ecuacin de balance sin el trmino de consumo, as se puede establecer la capacidad de un biorreactor para la absorcin de oxgeno.


)( *CCaKdtdC

LL =

Para ello se hace pasar aire a travs del medio sinttico al que previamente se le ha retirado todo el oxgeno por desplazamiento con nitrgeno.

C

t

C1

C2

t1 t2

N2

aire

Empleando la forma integrada:

Mtodo de desgasificacin esttica

taKCtC

L )(1ln * =

Su representacin nos dar como pendiente el coeficiente Kla. Tcnica rpida, puede emplearse el mismo medio de cultivo y clulas no viables para reproducir mejor las condiciones de operacin.

Valores de oxgeno obtenidos en un biorreactor en la fase de reaeracin. La concentracin de saturacin del oxigeno se establece en 8.1 ppm (C*).


Ejemplo:

tras reaireacin

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15t(min)

C(pp

m)

linealizacin

y = -0.401x + 1.6002R2 = 0.995

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 5 10 15t(min)

ln(1-C/C*)

ln(1-C/C*)

tramo lineal

taKCtC

L )(1ln * =

D e s v i a c i n d e l a linealidad: periodo no estacionario en cuanto a l a s c o n d i c i o n e s hidrodinmicas

Kla= 0.401 min-1

t(min) C(ppm) ln(1-C/C*)0 0.02 -0.002472191 0.02 -0.002472192 0.03 -0.003710583 0.37 -0.04675524 1.03 -0.136003585 3.06 -0.474457986 4.09 -0.70307282

6.5 4.96 -0.947641267 5.46 -1.12108514

7.5 6.01 -1.35478 6.33 -1.52088452

8.5 6.79 -1.821836929 7.04 -2.03359515

9.5 7.25 -2.2543829910 7.47 -2.55389952

10.5 7.53 -2.6539829811 7.57 -2.72674233

11.5 7.67 -2.9358341312 7.73 -3.08611634

12.5 7.86 -3.5189804213 7.89 -3.65251181

13.5 7.93 -3.863820914 7.97 -4.1320848915 7.99 -4.29913897


La obtencin de coeficientes de transferencia de oxgeno ms fiables se basa en la determinacin de los mismos durante un proceso de fermentacin. Se ha de resolver la ecuacin de balance de oxgeno, incluyendo el trmino de consumo.

B) Mtodos directos

Mtodo del balance de oxgeno El balance de oxgeno en un biorreactor en el que hay entrada y salida de oxgeno viene dado por:

dtdCVVXQCQCQ OSSEE = 2

V: volumen del biorreactor. QE/S: caudal de gas a la entrada/salida. CE/S: concentracin de oxgeno en la corriente de entrada/salida.

En estado estacionario no habra acumulacin:

Combinando con la ecuacin de velocidad de transferencia y suponiendo caudales de gas constantes:

2OSSEE VXQCQCQ =

2*)( OLL XQCCaK = )*(

)(CCVCCQaK SEL

=


El fundamento del mtodo es la introduccin de una perturbacin en el sistema cuando se encuentra en estado estacionario. En un momento determinado, A , se interrumpe la introduccin del oxgeno. Se registra un descenso del oxgeno disuelto en el fermentador, debido al consumo. Antes de llegar a la concentracin crtica de oxgeno (valor al cual el oxgeno se convierte en sustrato limitante) se restablece el suministro de oxgeno, B. Restablecida la aireacin la concentracin de oxgeno vuelve a aumentar hasta llegar al valor inicial, C.

C

t

C1

C2

t1 t2

C

B

A

Tcnica dinmica


La pendiente del tramo AB nos da el trmino de velocidad de consumo de oxgeno del cultivo.

XQdtdC

O2=

En el tramo BC el aumento de la concentracin viene dado por la diferencia entre la velocidad de transferencia y la velocidad de consumo. El trmino de consumo hallado en el tramo AB, sustituido en el balance y linealizando los datos experimentales permite hallar el coeficiente de transferencia de oxgeno.

*1 2 CXQdtdC

aKC O

L

+

+= C

(dC/dt + QO2X)

1/KLa

C*


Para biorreactores de tanque agitado existen correlaciones empricas que permiten estimar el valor de KLa en funcin del tamao del equipo o de las caractersticas del medio de cultivo.

Correlaciones empricas

Para medios de baja viscosidad, determinada para valores de (Pg/V) entre 500-1000 W/m2 (Blanch y Clark, 1996).

ys

gL vV

PaK

= 2106.2

Pg: potencia absorbida en un sistema aireado, W. V: volumen de lquido en el tanque, m3 vs: velocidad superficial del gas, m/s. x: coeficiente, 0,4 para dispersiones claras, 0,7 para medios turbios. y: coeficiente, 0,5 para dispersiones claras, 0,2 para medios turbios. Kla: se expresa en s-1.


Para medios viscosos: 32.09.02

5.126,05,0

22

2 DDD06,0D

=

sap

sap

O

ap

O

L

vN

gNNv

DDaK

D: dimetro del impulsor. DO2: difusividad del oxgeno ap: viscosidad aparente. vs: velocidad superficial del gas : tensin superficial. N: velocidad de agitacin. g: aceleracin de la gravedad.


Dependencia del coeficiente de los parmetros operacionales

El valor de KLa se ver afectado por aquellos parmetros que modifiquen la velocidad de transferencia, ya sea por modificacin de las condiciones de circulacin o por modificacin del rea efectiva de transporte.

Caudal de aire: el rango de caudales empleado se mueve en un margen ms bien estrecho (0,5 -1,5 volmenes de aire por volumen de fermentador y por minuto, vvm). Si se utilizan altas velocidades de aireacin la velocidad superficial de las burbujas de aire (caudal de gas/seccin transversal de aire) es tambin alta, lo que provoca la cavitacin del agitador en sistemas con agitacin mecnica y bajos tiempos de residencia de la fase gas en el equipo.

Agitacin: la agitacin aumenta el rea de transferencia al disminuir el tamao de las burbujas que se dispersan en el lquido aumentando el tiempo de transferencia en el interior del reactor. Adems, favorece la turbulencia disminuyendo, por tanto, el grosor de la pelcula en la interfase gas/lquido. El grado de agitacin se relaciona con la potencia consumida por el agitador.


Viscosidad: la viscosidad afecta sobre el valor de KLa. En cultivos discontinuos se producen cambios de viscosidad por el propio avance de la fermentacin debido al aumento de concentracin de microorganismos, al tipo de crecimiento (agregados, micelios, pellets) o por la aparicin de polisacridos fruto del metabolismo celular, lo cual da lugar a un comportamiento no newtoniano del medio.

Surfactantes y antiespumantes: un alto grado de aireacin conduce a la formacin de espumas por la aparicin de molculas con propiedades tensioactivas. Estas espumas puede impedir la transferencia de oxgeno, las burbujas se ven atrapadas en el equipo siendo recirculadas, aumentando el tiempo de residencia en su interior y agotndose, por tanto, su contenido en oxgeno. Las espumas adems dificultan la operacin por su salida por los conductos de aire y las tomas de muestras, aumentando el riesgo de contaminacin. La acumulacin de espumas en la interfase gaslquido en la parte superior del fermentador impide la transferencia de oxgeno.

La adicin de antiespumantes, por un lado, aumenta el rea interfacial favoreciendo el transporte y, por otro, disminuyen el valor de Kla debido a la acumulacin de estos tensioactivos que dificultan el transporte de oxgeno. El efecto global, generalmente, es negativo


Tipo de burbujeador: el tipo de burbujeador influye directamente en el tamao de las burbujas y, por tanto, en el valor del coeficiente.


El estudio de la agitacin se centra en la relacin que existe entre la potencia consumida por el sistema y las variables de operacin. La potencia absorbida durante la agitacin de un sistema puede representarse a travs de mdulos adimensionales. Para sistemas agitados no aireados se define Np (nmero de potencia).

3. AGITACIN

53DNPNp

=P: potencia absorbida por el agitador. : densidad del lquido. N: velocidad de agitacin. D: dimetro del impulsor.

El nmero de potencia se puede correlacionar con mdulos adimensionales que describan el movimiento del lquido en el interior del tanque, como puede ser el de Reynolds. La relacin entre ambos se establece a travs de la curva de potencia, que se representa genricamente como:

DN

=Re xp bN Re=b: constante que depende de la geometra del tanque. x: exponente que vara del rgimen de circulacin y del tipo de impulsor.


Curvas de potencia: Relacin entre la potencia y el nmero de Reynolds para los tres tipos de agitadores.

Re


Los impulsores ms empleados en los fermentadores industriales son:

Relaciones geomtricas del tanque, impulsor y elementos de agitacin estticos (placas deflectoras)

Turbina de disco (Rusthon)

Turbina de palas planas

Hlice


Cuando se introduce aire en un medio lquido previamente agitado hay una reduccin instantnea de las necesidades de potencia necesaria para su agitacin. La disminucin se debe principalmente a que los valores de la densidad y viscosidad de la fase lquida disminuyen aparentemente, especialmente en la proximidades del impulsor debido a la aparicin de burbujas. Uno de los parmetros caractersticos es el hold-up o retencin g de la fase gas, que se define como el cociente entre el volumen del gas en el fermentador y el volumen total (gas + lquido).

lg

gg VV

V+

=

)1( gg =

Sistemas agitados aireados

Suponiendo que el fluido es una dispersin de burbujas, el sistema se comportar como un lquido con una densidad, g, menor que la del lquido, .


La definicin del nmero de potencia para estos sistemas se modifica

Relacionando las ecuaciones de sistemas aireados y no aireados, obtenemos un expresin que proporciona un mtodo simple para calcular la disminucin de potencia debida a la aireacin.

53DNP

Ng

gp = Pg: potencia absorbida por el sistema aireado.

g: densidad del lquido.

)1( ggg

PP

==

Este mtodo se ver afectado por aquellas variables que alteren el valor de g: velocidad de agitacin, diseo del impulsor y del burbujeador, tamao de burbuja, caudal de gas, viscosidad, tensin superficial.


Para estimar las necesidades de potencia en sistemas aireados se define un mdulo adimensional, el nmero de aireacin, Na, como el cociente entre la velocidad superficial del gas y la velocidad tangencial del extremo del impulsor. El valor de Na nos da el grado de dispersin de las burbujas en los alrededores del impulsor

La relacin entre la potencia absorbida expresada en funcin del nmero de potencia, Np, y el nmero de aireacin, Na, puede obtenerse en correlaciones empricas.

3

2

NDQ

NDDQ

N gg

a ==Qg: caudal de gas (m3/s).


Tanque de fermentacin de 1 m de dimetro equipado con una turbina de disco. El tanque dispone de pantallas deflectoras (las proporciones geomtricas de los distintos elementos vienen dadas por la tabla). Se emplea un medio de cultivo de densidad 1100 kg/m3 y viscosidad 0,01kg/ms. El caudal de aireacin es de 0,7 vvm y la velocidad de agitacin de 250 rpm. Calcular los requerimientos de potencia del sistema sin aireacin y con aireacin y la retencin de gas (g)

Ejemplo

a) Clculo de la potencia sin aireacin

Para una turbina de disco, el dimetro del impulsor es D=T/3 para T (dim. tanque)= 1m D=1/3

Clculo del nmero de Reynolds 51053,1

01,060250

311100

Re ===

DN

Con la grfica que relaciona el nmero de potencia con el Reynolds Re=1,5105 Np=5 Empleando la expresin de la potencia absorbida:

WDNNP p 163731

6025011005

5353 =

==


b) Clculo de la potencia con aireacin

La potencia se calcula a partir del nmero de aireacin.

Podemos calcular el nmero de aireacin

Con el nmero de aireacin mediante la grfica se obtiene: Na=0,06 Np=2,2

WDNNP pg 72031

6025011002,2

5353 =

==

3NDQ

N ga =

El caudal de gas se obtiene mediante el caudal de aireacin y el volumen del tanque:

srfermentadomgasmvvm

60min1

min7,07,0 3

3

=

332 m 785,0144

====

FF VTHHTV

13

60785,07,0 == smVQQ Fag

0593,0

31

60250

1016,93

3

3 =

==

NDQ

N ga

La potencia absorbida ser:

c) Clculo de la retencin de gas 56,044,01637720)1( ==== gg

g

PP


4. ESTERILIZACIN En los procesos biolgicos es preciso trabajar sin contaminacin biolgica. Si la fermentacin es invadida por un microorganismo extrao al proceso las consecuencias finales pueden ser importantes: prdidas de productividad, desplazamiento del microorganismo de inters, degradacin del producto final, etc.

La ESTERILIZACIN en un proceso biolgico consiste en la eliminacin o destruccin de todos los microorganismos presentes, capaces de competir con el microorganismo deseado en las condiciones de cultivo.

Evitar la contaminacin

Empleo de cultivos puros. Esterilizacin del medio de cultivo, fermentador y

elementos y aditivos que se suministren durante el proceso.

Mantenimiento de las condiciones de esterilidad

El trmino todos implica cualquier tipo de vida, incluidas las esporas


En muchos casos, imponer caractersticas especficas del medio de cultivo, como el empleo de nutrientes utilizables solamente por un reducido nmero de microorganismos, o condiciones extremas de operacin, en cuanto a pH o temperatura, confieren una cierta proteccin desde el punto de vista de la contaminacin. En estos casos, se hablara de DESINFECCIN en lugar de esterilizacin.

Desinfeccin : e l iminacin o destrucc in de todos aquel los microorganismos que pueden causar daos especficos o resultados indeseados al proceso considerado.

El estudio de la esterilizacin se centrar en el tratamiento por calor hmedo (vapor) tanto del medio de cultivo como del equipo.


La esterilizacin a vapor es la ms empleada siempre que no haya problemas de termoestablidad. La destruccin de microorganismos puede describirse mediante una cintica de primer orden, en un proceso discontinuo se puede representar por la ecuacin:

Integrando esta ecuacin:

Esterilizacin trmica del medio de cultivo

kndtdn

=n: n de microorganismos viables. t: tiempo de tratamiento. k: constante de velocidad

ktnn

o

t =lnno: n de microorganismos al inicio del tratamiento. nt: n de microorganismos tras un periodo t de tratamiento.

La representacin grfica de esta ecuacin conduce a lneas rectas de pendiente k, que puede asimilarse a la velocidad especfica de muerte para una especie determinada.


Esta descripcin matemtica lleva a:

Representacin de la proporcin de superv ivenc ia de una poblac in de microorganismos sometida a un tratamiento trmico. Efecto sobre un medio con una alta proporcin de compuestos altamente sensibles.

El tiempo necesario para completar una esterilizacin completa (n=0) sera infinito.

Tiempos suficientemente largos conduciran a valores de n


El parmetro cintico k est sujeto a ley de Arrhenius:

RTE

Aek

=

RTE

t

Atenn =0ln

E: energa de activacin. A: factor preexponencial. R: constante de los gases T: temperatura absoluta

Combinando las ecuaciones vistas

Esta ecuacin nos relaciona las principales variables del proceso de esterilizacin: temperatura, tiempo y grado de esterilizacin. Al trmino ln n0/nt se le conoce como factor del o nabla (), se utiliza como criterio de diseo para el proceso de esterilizacin, es una medida de la reduccin de microorganismos viables producida por un tratamiento a una temperatura dada, durante un periodo de tiempo concreto.

ARTEtAte oreordenandRT

E += =

lnln


En la representacin grfica de esta ecuacin se observa que se puede obtener el mismo grado de esterilizacin utilizando diferentes estrategias.

La seleccin de las condiciones de operacin puede hacerse en funcin de las caractersticas del medio de cultivo. Largos tiempos de esterilizacin garantizan la destruccin de las especies ms resistentes al calor, como las esporas, pero pueden resultar perjudiciales para otros componentes del medio, como las vitaminas o aminocidos. La destruccin de estos compuestos se puede aproximar a una cintica de primer orden, las energas de activacin suelen ser ms bajas.


Valores de energa de activacin para algunos compuestos habituales en los medios de cultivo.

Tipo de compuesto Energa de activacin (kJ/mol)


Para medios con presencia simultnea de esporas y nutrientes termolbiles se obtienen grficas de este tipo que aconsejan trabajar en zonas de alta temperatura donde se consigue acelerar ms la destruccin de las esporas que la desnaturalizacin del medio.


En continuo: - El medio puede estar menos tiempo y a ms temperatura, mantenindose

su calidad. - Facilita trabajar con volmenes grandes. - Facilita el control automtico. - Necesita menos vapor y menos tiempo. En discontinuo: - Los costes de los equipos son menores. - Menores riesgos de contaminacin. - Mayor eficacia con medios que contienen slidos.

Parece que lo ms aconsejable es calentar el medio de cultivo a alta temperatura, mantenerlo a sta durante un corto periodo de tiempo y enfriarlo, de manera que los tiempos de calentamiento y enfriamiento no sean significativos en el tiempo global.

Hay dos modos de hacerlo:


El diseo de un proceso de esterilizacin continuo se basa en la obtencin del factor de esterilizacin global que se obtienen sumando las reducciones de cada una de las etapas: calentamiento, mantenimiento y enfriamiento.

Esterilizacin en discontinuo

EMCG ++=120

Para la resolucin de esta ecuacin junto con la que define nabla se requiere conocer los perfiles de temperatura en las fases de calentamiento y de enfriamiento. Dichos perfiles son funcin del sistema de esterilizacin utilizado: burbujeo directo de vapor, camisas, serpentines, resistencia elctrica, etc.

RTE

Ate

=


Sistema Perfil de temperatura Constantes


Como criterio general, se puede considerar que la reduccin mxima se consigue en el periodo de temperatura constante. Una distribucin tpica viene dada por:

050 750 20 ,,, === GEGMGC

Los tiempos de enfriamiento suelen disminuirse introduciendo en el tanque aire estril que favorece la eliminacin de calor por evaporacin

Ejemplo

Riesgo aceptable: Nt = 0,001 (1 posibilidad entre mil de que haya contaminacin)

N inicial de clulas.: N0 = 109 clulas/mililitro (n muy alto pero posible) = Ln N0/Nt = Ln 1012 ; =27.63= calent. + mantenim. + enfriam.


El clculo de las nablas de calentamiento y enfriamiento se obtiene a partir de los perfiles de temperatura. Se puede hacer dividiendo el tiempo de cada periodo en 30 intervalos.

t

T

ktNN

t

== 0ln

tkkk

tktktk

C

iC

)...(

521

33

22

11

+++=

=

=

=

=

! ctet

Tfk=

= )(

23889696327 ,,,, === ECGM

min24,354,2/23,81min54.2).(120

== ==

=

mantk

stBCT

M tktValores ejemplo calculados

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