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09/06/2014
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CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL
FCEyN-INTI
Materia de Especialización CEBI_E10
BIORREACTORES II
Docente a cargo: Luis DUCREY
E. mail: lducrey@gemabiotech.com
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CEBI_E10 Biorreactores II Modalidad de Clases: Teórico-prácticas. (24 horas)Aprobación: Asistencia obligatoria al 80% de las clases y aprobación de una evaluación de contenidos.Contenidos Mínimos: Bioprocesos aeróbicos. Velocidad de consumo y de transferencia de oxígeno. Medición de coeficientes. Reactores para procesos aeróbicos. Inmovilización de enzimas y células. Métodos de inmovilización. Biofilms. Limitaciones difusionales. Diseño de reactores con enzimas y/o células inmovilizadas. Reactores de lecho relleno y con lecho en suspensión. Reactores de membrana.Biorreactores multifásicos industriales. Reactores agitados. Columnas de burbujeo y reactores de arrastre (“air-lift”). Columnas rellenas. Reactores con diseño especial para el cultivo de células animales y vegetales.Reactores reales y Escalado: Modelos de flujo. Mezclado. Procedimientos básicos de escalado. Fermentaciones sólidas. Biorreactores empleados. Variables del proceso. Sustratos o medios de cultivo. Características básicas del diseño. Aproximaciones al escalado.
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Biorreactor o Fermentador
En ingles se usa
-Biorreactor para células animales
-Fermentador para bacterias u hongos
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¿ Qué es un biorreactor?
¿ Función de un biorreactor?
Clases de biorreactores:
- Tanque agitado
- Columna de burbujas
- Airlift loop
- Células inmovilizadas --- Lecho relleno
--- Lecho en suspensión
- De membrana
- Para cultivos en estado sólido
- Para cultivo de tejidos
- Los todavía no desarrollados
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• PRODUCCION INDUSTRIAL: gracias al desarrollo de los cultivos a gran escala. Tecnología de fermentación
(= Tecnología de cultivos)
• BIORREACTOR: corazón de dicha tecnología
• FUNCIÓN DE UN BIORREACTOR: Básicamente es la de domesticar microorganismos
• CONDICIONES: Microorganismo “cómodos” o “incómodos”
• FUNDAMENTAL: Conocimiento de la fisiología
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BiomasaProducto
Variación del pH
Calor
CO2
Nutrientes
O2
Fuente de Carbono
Metabolismo celular básico
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• Método más sencillo: cultivo de superficie en medio sólido o líquido estático (producción de penicilina y vinagre)
• 1933 – Kluyver & Perquin
Inicio de los Cultivos
Cultivos en Erlenmeyer
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• Agitación
– Favorece la transferencia de masa entre las distintas fases
– Homogenización química y física del cultivo
• Dispersar la biomasa
• Transferencia de calor
• Mezcla de la alimentación de sustratos
La eficiencia disminuye por - Viscosidad
- > tamaño del recipiente
- Baja velocidad de alimentación
Cultivo en Erlenmeyer
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pH Oxígenodisuelto
Sistemas decultivo
Fijo Escaso Lote (batch)
Libre
Controlado Controlado Lote (batch) Variable Kla 200 Lote alimentado
veces mayor Cultivo continuo
Biomasalevadura
(g/l)
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150
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Mantenimiento Celular
-δS/δt = δX /δt 1Yx/s
Si δX /δt > 0
-δS/δt = δX /δt + ms X1Y’x/s
Y’x/s rendimiento con mantenimiento nulo
ms coeficiente de mantenimiento
Donde
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Consumo de Oxígeno
mo : Coeficiente de mantenimiento en base al O2
Y’x/o2 : Rendimiento en base al O2 consumido. Cuando mo = 0 , Y’x/o2 = Yx/o2
-δOd/δt = δX /δt + mo X1Y’x/o2
Divido por X
qO2= +mo
µY’x/o2
-δOd/δt = δX /δt +mo1
Y’x/o2
1X
1X
qO2= Vel. específica consumo O2
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qO2= qO2max
[Od]
[Od]+KOd
Cuando el Oxígeno es limitante
Cuando el Oxígeno no es limitante qO2es independiente
de la [Od] y depende de µ
Si µ = µmax entonces qO2= qO2max
¿Cuándo el Oxígeno no es limitante ?
[Od] crítica aprox 0,1 a 1 mg/l Solubilidad a 30°C y 0,21 atm en agua= 7,8 mg/l
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X= 10 g/l mo= 2,6 mg/g h µ= 0,15 1/h Y´x/o2 = 1 g/g
[Od] inicial = 7,8 mg/l
¿Cuánto tarda en llegar [Od] a 0,5 mg/l?
δX/δt = µmax X = 0,15 . 10 = 1,5 g/l h
Luego
-δOd/δt = 1526 mg/lh
¿Cuánto dura los 7,8 mg/l?
-δOd/δt = δX /δt + mo X1
Y’x/s
11-δOd/δt = 1500 + 2,6 . 10
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-δOd/δt = 1526 mg/lh
Integrando desde T=0 con [Od]i = 7,8 mg/l hasta el tiempo en que [Od] = 0,5 mg/l
1526 mg/l h = ([Od]i– [Od]t) / T
T = (7,8 – 0,5 ) / 1526
T= 4,78 x10-3 h = 17,2 segundos
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SOLUBILIDAD DEL O2
Ley de Henry
C = k . p
p : presión parcial del gas
k : cte de Henry
que depende de: - La naturaleza del gas- La temperatura- Del líquido
C : [O2] en el líquido
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TRANSFERENCIA DE O2
RO2= KLa (C* - C) mol/m3/h
RO2: Coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (OTR)
Kla : medida de la capacidad para suministrar O2
C* : [O2] en equilibrio con la presión de vapor en la fase gaseosa
C : [O2] en el líquido
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Kla : medida de la capacidad para suministrar O2
Kl : Coeficiente de transferencia de masa (velocidad) m/h
a : área interfase específica m2/m3
¿Cómo aumentar Kla?
-Puedo aumentar “a”- Aumentando la E otorgada. > rpm < tamaño burbujas- Aumentando flujo de aire- Aumentando el gas Hold-up
-Aumentando la C* ([O2]gas) : enriqueciendo el aire de entrada-Aumentando la presión en el reactor-Con la < C ([O2]liq) posible
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OTRmax = KLamax (C* - C)
En cultivo aeróbico OTR ≥ OUR
OURmax = µmax xmax / Y`x/o2+ mbio
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X= 10 g/l mo= 2,6 mg/g h µ= 0,15 1/h Yx/o2 = 1 g/g
[Od] inicial = 7,8 mg/l
¿Cuánto tarda en llegar [Od] a 0,5 mg/l?
δX/δt = µmax X = 0,15 . 10 = 1,5 g/l h
Luego
-δOd/δt = 1526 mg/lh
¿Cuánto dura los 7,8 mg/l?
-δOd/δt = δX /δt + mo X1
Y’x/s
11-δOd/δt = 1500 + 2,6 . 10
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-δOd/δt = 1526 mg/lh = RO2
RO2= KLa (C* - C)
KLa = RO2/ (C* - C) RO2
= 1526 mg/ lh
C* = 7,8 mg/ l
C = 0,5 mg/ l
KLa = 209 h-1
A menor KLa, menor RO2
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0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40
time (h)
OU
R (
g/l/
h)
0
50
100
150
200
250
O.D
. (60
0 n
m)
Oxigen uptake rate Biomass
Oxygen uptake rate
Batch Fed-bath Induction
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OTR = dC / dt = KLa (C* - C)
DETERMINACIÓN DEL Kla
-En ausencia de biomasa
Mediante la eliminación del O2 por un gas inerte ( Gassing-Out)
Kl y a por separado son difíciles de determinar, se calcula
Kla como el coeficiente de transferencia volumétrica
Integro entre los límites a t=0 y C=0
Ln (1-C / C*) = KLa . t
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Ln (1-C / C*) = KLa . t
Con un valor para C* = 7,8 mg/l
Graficamos Ln (1-C / C*) vs tiempo nos queda una recta conPendiente Kla
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Variación del O2 en el tiempo Distintos flujos de aire Temp= 30° C Agit= 300 rpmViscosidad= 1 cP
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Variación del O2 en el tiempo Distintas velocidades de agitación Temp= 30° C Aireación= 1 vvmViscosidad= 1 cP
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Variación del O2 en el tiempo Distintas viscosidades del medio Temp= 30° C Aireación= 1 vvmAgitación= 300 rpm
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OTR = dC / dt = KLa (C* - C) – qO2. X
DETERMINACIÓN DEL Kla
-En presencia de biomasa
En un cultivo continuo en estado estacionario dC / dt = 0
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[O2]
C*
CL
Ccritica
dC= X. qO2
dT
corte del
suministro de O2
restitución delsuministro de O2
tiempo (en minutos)
KL.a 1
KL.a 2
KLa1 > KLa2
OTR = dC / dt = KLa (C* - C) – qO2. X
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C = -1/Kla (dc/dt + Qo2 X) + C*
y graficando C vs dc/dt + Qo2 X
nos da una recta con pendiente -1/Kla y
que corta en C*
dC / dt = KLa (C* - C) – qO2. X
Rearreglando:
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AGITACIÓN
- Acelera la transferencia de masa y calor
-Se transfiere la energía cinética de las
turbinas al fluido provocando su
movimiento
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SUSPENSIÓN: depende mas de la forma del fondo del tanque
DISPERSIÓN GAS-LIQUIDO: depende de la geometría de las turbinas
MEZCLADO: depende del tamaño relativo entre tanque y turbinas
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AGITACIÓN - Turbinas
Flujo Radial Flujo Axial
Rushton
Cheminer BT6Scaba 6SRGT
Chemineer CD6
Lightnin A315
Chemineer Maxflo W
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Patrones de Flujo – 1 Axial
Las axiales pueden bombear hacia arriba o hacia abajo según como se la instale
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¿Qué determina que turbinas usar?
-Potencia disipada o absorbida y el torque
-Capacidad de dispersar el aire
-Mezcla de las fases líquido y gaseosa
-Coeficiente volumétrico de transferencia de O2 (Kla)
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RELACIONES DE KL. a CON VARIABLES OPERACIONALES DEL SISTEMA
El KL.a puede correlacionarse con:variables de operación del sistema: agitación, aireación, potenciaaplicada, , etc,propiedades del fluido : densidad, viscosidad, peso especifico.geometría del sistema: diámetro de impeler/ diámetro delfermentador, etc.
Estas correlaciones son empíricas , surgidas de información recogida de un grannumero de experimentos, y permiten:
Predecir el valor que tendrá la transferencia al modificar lascondiciones operativas.Calcular el KL.a sin necesidad de efectuar mediciones.Hacer el cambio de escala.Diseñar reactores.
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KL.a = K. (P/V) (Vs)
En esta expresión se relaciona KLa con la potencia y la agitación (P/V) y la aireación (Vs).
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Limitaciones de esta expresion son: 1- validez solo para fluidos newtonianos, con viscosidad () constante = . En general, los caldos de fermentacion se comportan como fluidos no newtonianos, con viscosidad variable a lo largo del proceso fermentativo.
2- Validez para volúmenes de fermentacion desde 2 L hasta 4,400 L
(relativamente pequeños)
3- Valida para potencias aplicadas (P/V) desde 500 a 10,000 W
4- Expresiones obtenidas en soluciones de electrolitos de baja viscosidad (sin azucares, sólidos, etc.)
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Para sistemas viscosos las correlaciones son de la forma:
Kla. D2 = 0.06 ap
0.5 ap. Vs 0.6 D2N 1.5 DN2 0 .19 DN
DO2 . DO2 ap g Vs
Donde: D= diametro del impeller : densidad del liquido
DO2: difusividad del O2 : tension superficial
ap: viscosidad aparente N: velocidad de agitacion
Vs : veloc superficial del gas
En estas relaciones complejas se prefiere emplear las variables bajo la forma de adimensionales , es decir, como relaciones entre variables
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De este modo además es posible independizarse de las unidades de medida e incluso de las propias mediciones, que, en la mayoría de los casos, son imposibles de realizar.
Re (Numero de Reynolds)
Np (Numero de potencia)
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Número de Reynolds para un sistema agitado
Re= ρL N D2 / µ
N : velocidad de las turbinas (agitación) (s-1)
D2 : diámetro de las turbinas (m)
ρL : densidad del líquido (kg/m3)
µ : viscosidad dinámica (m2/s)
Este numero describe el movimiento del liquido en el tanque en función de la Veloc. de agitación, la viscosidad y densidad del liquido y el diámetro del impulsor
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Re < 10 Flujo es laminar
10 < Re < 10.000 Flujo es de transición
Re > 10.000 Flujo es turbulento
Para asegurar turbulencia
Re > 20.000
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Número de Potencia
Po= P / ρL N3 D5
N : velocidad de las turbinas (agitación)
D : diámetro de las turbinas
ρL : densidad del líquido
P : potencia absorbida (que es menor que la del motor, porperdidas)
Establece la relación entre agitación, potencia de
agitación (P) y variables operativas del sistema
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Po es dependiente al tipo de flujo
-Para laminar es inversamenteproporcional a Re
-Para turbulento es cte
-Para la transición es mas complejo ya que influyen la inercia y la viscosidad
curva de potencia
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Generalmente se trabaja en flujo turbulento, para lo cual Po es cte y depende del tipo de turbina utilizada
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Cuando el sistema se airea, la definicion del Np se modifica a :
Np = Pg / g.N2.D5 Pg: potencia absorbida por el sistema
aireado
g: densidad aparente
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La potencia también se relaciona con el Torque (M) que se transmite al eje
P = 2pi N M
N : velocidad de las turbinas (agitación) (s-1)
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2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
100 150 200 250 300 350 400 450 500
RPM
Po
ten
cia
(A
)
Axial + rushton rushton convexas
Potencia Consumida
Comparación entre diversas clases de turbinas y rpm
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Tiempo de mezclado en fc de Po
con una sola turbinaconfiguración 1 a 1 (H/Td)flujo turbulento
tmix,95% ≈(Po-1/3/ N) (D/Td)-2
D : diámetro de la turbina
Td : diámetro del biorreactor
N : velocidad de la turbina
Po : Número de potencia
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Llevado a P y unidad de volumencon una sola turbinaconfiguración 1 a 1 (H/Td)flujo turbulento
tmix,95% =5,9 (P/ ρLV)-1/3 Td2/3 (D/Td)
-1/3
D : diámetro de la turbina
Td : diámetro del biorreactor
V : volumen del biorreactor
ρL : densidad del líquido
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Conclusiones
-Todas las turbinas de igual D tendrán el mismo tmix a unadada P
-A una dada P una turbina de mayor D dará un menor tmix
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MULTIPLES TURBINAS
Si se aumenta la configuración a 2 a 1 (H/Td) y se instalan 2 turbinas.¿Se mantiene el tmix?
NO debido a la zonificación
A modo de ejemplo, con 3 Rushton
tmix,95% =3,3 (Po-1/3/N) (D/Td)-2,43
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MULTIPLES TURBINAS
Con una Rushton debajo y una o dos axiales arriba se disminuye el tmix en un 50%.
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CONCLUSIONES
-La dispersión de gas nunca puede ser homogenea
-La mayor transferencia ocurre en la región de las turbinas
-Es esencial un buen mezclado de arriba hacia abajo
-Para biorreactores de gran tamaño la mejor configuración es una turbina de baja dispersión (radial) abajo y hélices de flujo axial arriba
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TRANSFERENCIA DE CALOR
BALANCE GENERAL de Tasas de generación y transferencia
Qacumulado= QMet+ QAgit+ QAireac+ QSens- QEvap- QInter- QRad
A Temp cte, Qacumulado= 0
QMet: Calor generado por metabolismo
QAgit: Calor generado por trabajo mecánico
QAireac: Calor generado por la expansión de las burbujas (> a 10 m3)
QSens: Calor que aporta fluidos a otra Temp (ácido, alk, Antiesp, alimentación)
QEvap: Transferencia de calor al humedecerse el aire que burbujea (desp)
QInter: CALOR QUE DEBE TRANSFERIR el sistema de refrigeración
QRad: Calor que se pierde por radiación a través de las paredes (desp si
está bien aislado)
QInter= QMet+ QAgit+ QAireac- Qevap
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TRANSFERENCIA DE CALOR
Similar a la transferencia de Oxígeno
Involucra los pasajes:
Microorganismos---medio líquido-(crítico)-superficies biorreactor
QHe ≈ AHe . Δ T La tasa de transferencia de calor a través de una
superficie es proporcional al área de intercambio y al diferencial de temperatura
QHe = UHe AHe . Δ T UHe:Coeficiente de transferencia total de calor
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1/UHe = 1/hi + 1/hfi + ep/λp + 1/hfo + 1/ho
hn : coeficientes de transferencias
1/hi:resistencia entre líq y la pared (EL MAS IMPORTANTE)
1/hfi:resistencia entre líq y la pared con fouling (evitable)
ep/λp :resistencia por la pared (desp con esp < 5 mm)
1/hi:resistencia la pared y líq refrig con fouling (evitable)
1/hi:resistencia la pared y líq refrig (especificado)
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Número de Nusselt Nu ≈ Re . Pr Proporcional al Número de
Reynolds y al Número de Prandlt
Relaciona la transferencia de calor por convección en relación a la de conducción
hi : coeficientes de transferencias
Nu = hi .dl / λL λL : Conductividad del calor
dl : espesor
Nu = 0,36 Re0,66 . Pr
0,33 (ηL / ηLp)
ηL : Viscosidad del líquido ηLp : Viscosidad del líquido cercano a la pared
1/hi:resistencia entre líq y la pared
Depende de del flujo del líquido y de su naturaleza y se define con correlaciones adimensionales
densidad del líquido, velocidad de las turbinas, diámetro de las turbinas
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Capa límite de velocidad
Capa límite térmica
Número de Prandtl = Cp.ηL /λL
Cp: Capacidad calóricaηL : Viscosidad del líquido λL : Conductividad del calor
Relación entre la capa límite de velocidad y la capa límite térmica
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Según teoría,
Heat generated : Qg = 0.519 kJ/mmol . OUR
5 g/l/h O2 = 156 mmol/l/h
Qg = 0.519 kJ/mmol . 156 mmol/l/h
Qg = 80.9 kJ/l/h = 19.33 kcal/l/h
In our 3500 l Qg = 67655 kcal/l/h
Según mediciones,
Qg = 14 l . 3,7°C /11 min
Qg = 20.1 kcal/l/h
In our 3500 l
Qg = 70350 kcal/l/h
y = 0,0056x + 24,16
R2 = 0,9994
24
25
26
27
28
29
30
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
segundos
°C
Temperatura . Lineal (.)1 gramo de agua requiere 1 caloría para aumentar su temperatura en 1ºC