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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)
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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.