TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS BIOPROCESOS

Los bioprocesos están siempre ligados a las variaciones de calor necesarios para la generación del producto, los fluidos en el bioprocesado necesitan calentarse y enfriarse, por ejemplo la eliminación del calor es necesario para las operaciones de fermentación, otra importante es el calentamiento de medio a temperatura altas mayores de los 100 °C para la esterilización.

Por tanto la temperatura es esencial para la optimización en la formación de la biomasa o en la formación del producto. Esta optimización debe considerar la velocidad en la que el calor se transmite de sistemas calientes a fríos que depende directamente de dos variables: primero, la diferencia de temperatura entre los cuerpos caliente y fríos; y segundo, la superficie disponible para el intercambio de calor.

BALANCE DE CALOR EN EL BIORREACTOR

En los procesos a gran escala, el calor desprendido durante la reacción puede causar la muerte de las células o la desnaturalización de las enzimas sino de elimina rápidamente. Para el diseño racional de las operaciones que requieren un control de la temperatura, previamente deben determinarse los flujos de energía en el sistema mediante el balance de energía.

El siguiente balance de energía se aplica a los biorreactores.

Qacc= Qmet + Qag + Qaer + Qsen - Qevap - Qhxcr - Qsurr

DONDE

Qacc – Es la energía acumulada en el sistema (puede ser negativa o positiva en caso de pérdida)Qmet – Energía generada por el metabolismo

Qag – Energía generada por agitación

Qaer – Energía generada por aireación

Qsen – Energía generada por condensación (calor sensible)

Qevap – calor perdido por evaporación

Qhxcr – Calor perdido por el intercambiador de calor (puede ser negativo o positivo)

Qsurr – Calor perdido hacia los alrededores

FIGURA 1: FLUJO DE CALOR A NIVEL MACROSCOPICO. En el sistema (biorreactor),

En general, se requiere condiciones de estado estacionario en un fermentador, es decir, se requiere Qacc = 0. Si hacemos caso de la pérdida de calor al medio ambiente circundante (normalmente insignificante) podemos describir el deber intercambiador de calor como:

Qhxcr = Qmet + Qag + Qaer + Qsen – Qevap

De todos los términos, el calor generado por agitación y el calor generado por el metabolismo son los dos factores más importantes en la generación de calor.

GENERACION DE CALOR METABOLICO

Si consideramos que todos los organismos vivos producen calor como resultado del metabolismo, necesaria para el crecimiento y producción de energía. El nivel de generación de calor en cultivos microbianos depende de tres factores:

1) El microorganismo utilizado en fermentación: Importante porque cada especie bacteriana tiene distinto rango de temperatura óptima de crecimiento, tasa de crecimiento, tasa metabólica, etc. Por tanto debemos considerar y conocer estos parámetros propios de cada microorganismo.

2) Fuente de carbono utilizado: puesto que los calores de combustión son diferentes para distintos microorganismos y condiciones de cultivo.

3) Condiciones de fermentación: Temperatura, pH, oxigenación, etc.

FIGURA 2: TRASFERENCIA DE CALOR A NIVEL MICROSCÓPICO. Un microorganismo genera calor por el propio metabolismo, que se percibe a nivel macroscópico en el calentamiento del sistema.

TRANSMISION DE CALOR POR AGITACION

Se facilita la transmisor de calor, se supone que toda la energía impartida al fluido del sistema, por agitación se disipa en forma de calor en última instancia.

PERDIDA DE CALOR POR EVAPORACIÓN

La evaporación puede ser un problema significativo en la fermentación, con los problemas que surgen tanto por la pérdida de volumen y la pérdida de calor.

La solución puede ser:

Si es posible se debe utilizar aire pre-saturado para luego esparcirlo en el fermentador. En los grandes fermentadores esto a menudo no es posible. En los casos extremos en los que el aire seco se rocía en el fermentador, se potenciará al máximo las pérdidas de calor por evaporación.

DISEÑO Y EQUIPOS DE TRANSMISION DE CALOR

Una vez determinada, por el balance de energía, las necesidades de calentamiento o enfriamiento de los fermentadores y reactores enzimáticos. También conocida la velocidad de transmisión de calor para un propósito determinado, la superficie necesaria para alcanzar dicha velocidad puede calcularse mediante las correspondientes ecuaciones de diseño.

El cálculo del área de transmisión de calor es el principal objetivo del diseño ya que dicho parámetro determina el tamaño del equipo de transmisión de calor.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN BIOPROCESOS

En bioprocesado la transmisión de calor se produce normalmente entre líquidos. El equipo está dispuesto de tal forma que permita la transmisión de calor entre dos líquidos pero sin entrar en contacto uno con otro. En la mayoría de los cambiadores de calor, el calor se transmite a través de las paredes del metal que separan las corrientes de fluido (conducción). Se coloca la suficiente superficie ara alcanzar la velocidad de transmisión de calor deseada, a la vez se facilita la transmisión de calor deseada, a la vez que se facilita la dicha transmisión de calor por agitación y flujo turbulento (convección).