BioingenieríaDeterminación 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 1 Estas condiciones son conocidas por ser una función de disipación de energía que dependerá de las condiciones de operación. 2009) Figura 1. La tasa de transferencia de oxígeno (OTR) debe ser conocida y predicha para lograr un diseño y funcionamiento óptimo y el escalamiento del biorreactor.Introducción: En bioprocesos aerobios el oxígeno es un sustrato clave debido a su baja solubilidad en soluciones acuosas. los parámetros del biorreactor y la presencia de células consumidoras de oxígeno. dependerá de la tasa de transferencia de oxígeno de la fase gaseosa a la líquida. En estos sistemas un elevado número de variables afectan la transferencia de masa. La transferencia de masa gas-líquido en un proceso biotecnológico está fuertemente influenciada por las condiciones hidrodinámicas del biorreactor. (García. Pasos y resistencias para la transferencia de oxigeno de una burbuja al interior de la celula . las propiedades fisicoquímicas del cultivo. la velocidad en la que el oxígeno es transportado a las células y en la tasa de consumo de oxígeno (OUR) del microorganismo para su crecimiento y mantenimiento. por lo que necesita de un suministro continuo. El KLa es un factor ampliamente utilizados en una gran variedad de bioprocesos limitante en el escalamiento de un proceso que implique (como el tratamiento de aguas residuales). 2009) Los biorreactores de tanque agitado y de columna de burbujas son Figura 2. los más 2 . La concentración de oxígeno disuelto en una suspensión de microorganismos aerobios. Estos proporcionan cultivo en biorreactores. (García. altos valores en la tasa de transferencia de masa y calor. operación y escalamiento de biorreactores. Ajustar el flujo de aire que se indica en el paso tres.6 mg/L) Requerimientos de seguridad Guantes Disposición de residuos N/A Procedimiento y diseño experimental 1er Paso. y con el cual se establecerá el índice de capacidad de aireación del mismo. (García. La medición y la predicción correcta del coeficiente volumétrico de transferencia de masa (KLa). 3 . 2009) La transferencia de oxígeno es a menudo el factor limitante de la velocidad de un bioproceso aeróbico debido a la baja solubilidad del oxígeno en el medio.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. no conectar al reactor hasta completar el paso dos. (García. Metodología Material y equipo Biorreactor applikon con control de velocidad de agitación Sensor de oxígeno disuelto (OD) Controlador de flujo de gas Reactivos y soluciones Sulfito de sodio (67 mg/L) Cloruro de cobalto (0.relevantes son la velocidad de agitado. Asegurándose que el sensor de OD este sumergido a la altura correcta. Llene el reactor a un volumen de trabajo de 3 litros. es un paso crucial en el diseño. Preparación del reactor. ajustando el control de temperatura a 30 º C. el tipo y número de agitadores y la tasa de flujo del gas utilizado. Tabla 1.5 Viscosidad (cP) 1 1 1 1 1 1 1 1.5 ml de la solución de cloruro de cobalto y 6 ml de la solución de sulfito de sodio para desplazar el OD en el reactor.2do Paso.Parámetros para cada análisis de transferencia de oxígeno y equipo responsable. No se ajustó el control de temperatura ya que sería muy tardado sin embargo se aseguró que el sensor de OD estuviera sumergido a la altura correcta. 4 .5 Según las indicaciones anteriores nuestro equipo (equipo 2) realizo el procedimiento con los parámetros que la tabla indico. Evaluación de factores que afectan la transferencia de oxígeno.9 ̃1.5 ̃0. Una vez que la concentración de OD llegue a cero en el paso dos. Llenar el reactor con agua de la llave a un volumen de trabajo de 3 L. agite a 200 rpm siguiendo la concentración de oxigeno cada 20 segundos hasta llegar a cero.7 ̃0. el siguiente diagrama de flujo representa el procedimiento detallado y las pequeñas variaciones que realizamos.5 ̃1. Registre la concentración de OD cada cinco segundos hasta llegar a la saturación.9 ̃0. inicie la aireación y la agitación siguiendo las condiciones que se indican en la siguiente tabla. Desaireación química. Equipo Equipo 3 Equipo 3 Equipo 5 Equipo 5 Equipo 1 Equipo 1 Equipo 2 Equipo 4 Agitación (rpm) 200 300 400 500 300 300 300 500 Aireación (Laire/Lreactor/min) ̃0.9 ̃0.9 ̃0. 3er Paso. Se agregan 1. Agitar a 200 rpm siguiendo la concentración de oxigeno cada 20 o 10 segundos dependiendo de las condiciones hasta llegar a cero. Registrar la concentración de OD cada veinte segundos hasta llegar a la saturación (valor de OD igual a 5) 5 .5 ml de la solución de cloruro de cobalto y 6 ml de la solución de sulfito de sodio para desplazar el OD en el reactor.5 L/min) pero aún sin conectarlo al reactor. A partir de que llegue a cero iniciar la aireación y la agitación siguiendo las condiciones que indica la tabla 1 y con el flujo que se había establecido. Posteriormente se ajusto el flujo a las condiciones de la tabla 2. Ajustar el flujo de aire para el caso de cada equipo (1.Agregar 1. 6 . observamos que las pruebas de 300 rpm flujo de 1.5 0. Condiciones para llegar a la saturación Equipo Agitación (rpm) Aireación (Laire/Lreactor/min) Viscosidad (cP) Flujo de gas (L/min) Equipo 3 Equipo 3 Equipo 5 Equipo 5 Equipo 1 Equipo 1 Equipo 2 Equipo 4 200 300 400 500 300 300 300 300 0.5 y con la de 500 rpm flujo 2.36 flujo 300 rpm 2. desde la desaireación química hasta la saturación en cada una de las condiciones evaluadas.5 flujo 300 rpm 2.5 1.5 flujo 200 rpm 2.9 0.9 0.7 0.1 1.7 2.Resultados y cálculos Grafica de la concentración.7 ya que existe una diferencia entre estas dos pruebas de 150 segundos.9 0.5 2.7 Figura 3.7 4.1 flujo 300 rpm 1. Curva de concentración del porcentaje de oxígeno en función del tiempo 100 % OD 80 60 40 20 0 -150 -20 50 250 450 650 850 1050 1250 Tiempo (s) 300 rpm 4.36 flujo 500 rpm 400 rpm 500 rpm Como se puede observar existe una gran relación entre el tiempo que tarda la desairación química con las rpm y la viscosidad del liquido.7 2.5 1 1 1 1 1 1 1 15 2. el porcentaje de OD en función del tiempo (considerando como 100% la concentración de OD en la saturación).9 1. Sobreponga las líneas en una sola gráfica Tabla 2.7 2.5 2. 7 0.𝐾𝐿 𝑎.7 0. la ecuación anterior es una recta de 𝐿𝑛 1 − 𝐶𝐿 𝐶𝑔 vs t (h) con pendiente igual a .00037 0.7 0.00185 Equipo Movimiento (rpm) 1 1 2 3 3 4 5 5 300 300 300 200 300 300 400 500 Viscosidad Flujo de Aireación (cP) aire (Laire/Lreactor/min) (L/min) 1 4.00091 0.00066 0.5 1 2.9 1 2.9 15 2.5 1.7 0.Considerando la siguiente ecuación 𝐿𝑛 1 − 𝐶𝐿 𝐶𝑔 = 𝐾𝐿 𝑎 ∗ 𝑡 Donde el valor a condiciones de laboratorio es 𝐶𝑔 es igual a 10 mg/L y 𝐶𝐿 es el valor de OD en el seno del líquido. Calcular el 𝐾𝐿 𝑎 para cada una de las condiciones evaluadas.00078 0.7 1 1.00208 0.00041 0. Valores de 𝐾𝐿 𝑎 obtenidos de las diferentes condiciones Valor 𝑲𝑳 𝒂 0.7 1. Se obtiene el grafico sustituyendo en el eje de las ordenadas la ecuación 𝐿𝑛 1 − 𝐶𝐿 𝐶𝑔 correspondiente con cada evaluación en función del tiempo y la misma herramienta de Excel entrega la ecuación de la recta y obtenemos la pendiente que es igual al valor de la 𝐾𝐿 𝑎 para cada evaluación.9 7 .0012 0.5 1 2.5 0.5 1 2.9 1 2.1 0. Tabla 3. 4 -0.9 y = -0.7 -0.2 KLa -0.6 -0.5 flujo) y = -0.30808 R² = 0.1 0 -0.7 -0.1 0 -0.35929 Tiempo (s) Figura 5.2 100 200 300 400 500 600 700 800 900 KLa -0.09760 R² = 0.5 0 -0.7 -0.3 -0.0.8 -0.1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -0.00041x .4 -0.2 KLa -0.3 -0.39656 R² = 0.8 -0.5 -0.5 flujo Tiempo (s) Lineal (300 rpm y 1.9 300 rpm y 1. Representación de los datos obtenidos por parte del equipo 2 a 300 rpm y flujo aire de 1.8 y = -0.6 -0.29087 8 .00091x .0.6 -0.00037x .3 -0.4 -0.5 -0.0.1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 -0.5 0 -0. Representación de los datos obtenidos por parte del equipo 1 a 300 rpm y flujo aire de 2. Representación de los datos obtenidos por parte del equipo 1 a 300 rpm y flujo aire de 4.5 -0.95226 Tiempo (s) Figura 5.Figura 4. Figura 7.3 -0.4 -0.00078x .00066x + 0.4 -0.2 200 400 600 800 1000 1200 1400 -0.0.9 y = -0.7 0. Representación de los datos obtenidos por parte del equipo 3 a 300 rpm y flujo aire de 2.5 -0.7 -0.6 -0. Representación de los datos obtenidos por parte del equipo 4 a 300 rpm y flujo aire de 2.4 -0.807 Tiempo (s) Figura 9.7 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 -0.080 R² = 0.8 -0.1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -0.7 -0.00208x .7 0 -0.86563 9 .129 R² = 0.1 0 KLa -0.5 -0.0.1 0 -0.2 KLa -0. Representación de los datos obtenidos por parte del equipo 3 a 200 rpm y flujo aire de 2.3 -0.2 0.8 y = -0.6 -0.8 -1 Tiempo [s] y = -0.6 -0.2 -Kla -0.22381 R² = 0.964 Tiempo (s) Figura 8. 10 . el oxígeno se dispersa en el líquido por difusión y convección.92599 Tiempo (S) Figura 11. Representación de los datos obtenidos por parte del equipo 5 a 500 rpm y flujo aire de 2.6 -0.5 -0. resultando en condiciones de saturación o de equilibrio en la interface.7 -0.22881 R² = 0.9 -1 Tiempo (S) y = -0.Figura 10. por lo menos.7 0 -0. la masa de oxígeno transferida es controlada por la difusión molecular a través de la película que permanece constante (etapa 2). El efecto de la turbulencia en el mecanismo de la transferencia de oxígeno es crítico.00120x .7 0 KLa -0. La velocidad de trasferenciaes muy rápida y la película de gas-líquido es muy fina. Primero las moléculas de gas se transfieren a la superficie del líquido.4 -0. tres moléculas de espesor. Representación de los datos obtenidos por parte del equipo 5 a 400 rpm y flujo aire de 2. En la segunda etapa las moléculas de oxígeno atraviesa esta película por difusión molecular. En condiciones de reposo o de flujo laminar.2 -0.3 KLa -0. En la tercera. estimada de.4 -0.8 -1 y = -0.25500 R² = 0.8 -0.1 0 50 100 150 200 250 300 350 -0.2 0 100 200 300 400 500 600 -0.6 -0.00185x .0.0.90898 Preguntas ¿Cuáles son las etapas de transferencia de oxígeno en un biorreactor? Este fenómeno ocurre en 3 etapas. y donde V es el volumen del líquido. se produce una ruptura de la película y la masa de oxígeno transferida es controlada por la velocidad de renovación de la película. Para condiciones de “Equilibrio Discontinuo”. la ecuación puede expresarse: 𝑑𝐶 𝐴 = 𝐾𝐿 𝐶𝑠 − 𝐶𝑙 = 𝐾𝐿 𝑎 𝐶𝑠 − 𝐶𝑙 𝑑𝑡 𝑉 Así que 𝐾𝐿 𝑎 es el coeficiente global de trasferencia de oxigeno (h-1). ¿Cómo se define el 𝐾𝐿 𝑎? El 𝐾𝐿 𝑎 podemos decir entonces que es definida como el coeficiente de transferencia de masa de Oxígeno (OTR) en fase líquida. Esta velocidad de renovación de la interface puede definirse como la frecuencia a la cual un líquido de concentración Cs (concentración de saturación del gas en el líquido mg/l) está siendo reemplazado por un líquido de concentración CL (Concentración de oxígeno en el líquido mg/l) Considerando la pregunta anterior. Donde A será en área de la burbuja. m3 Como se infiere la ecuación 𝐿𝑛 1 − 𝐶𝐿 𝐶𝑔 = 𝐾𝐿 𝑎 ∗ 𝑡 ? Para procesos en lote la ecuación es la siguiente: 𝑑𝐶𝐿 = 𝐾𝐿 𝑎 𝐶´ − 𝐶𝐿 𝑑𝑡 Despejando e integrando obtenemos: 𝑑𝐶𝐿 = 𝐶´ − 𝐶𝐿 𝐾𝐿 ∗ 𝑡 Y así obtenemos la ecuación: 𝐿𝑛 1 − 𝐶𝐿 = 𝐾𝐿 𝑎 ∗ 𝑡 𝐶𝑔 11 .En condiciones de turbulencia. y usualmente será empleado para caracterizar equipo de aeración. con flujo estacionario o semiestacionario. 00078 0.002 KLa 0. Valores de 𝐾𝐿 𝑎 obtenido en función de las rpm Flujo aireación (L/min) Viscosidad (cP) 2. Dispersar líquidos inmiscibles presentes. ¿Cuál es el efecto de la velocidad de agitación en el 𝐾𝐿 𝑎? Basándose en la literatura. Valores de 𝐾𝐿 𝑎 graficados obtenidos en función de las rpm 0.000 R² = 0.7 2. unido a un eje conectado a un motor eléctrico (Scriban. Obtener una temperatura y una concentración de nutrientes uniforme en todo el recipiente.0015 0.00066 0.00185 200 300 400 500 Figura 12.7 2. 1985).001 0.Graficar el valor de 𝐾𝐿 𝑎 obtenido en función de las rpm (solo aquellos valores con el mismo flujo de aireación y viscosidad).0012 0. ajustar con regresión lineal los datos y obtenga la ecuación de la recta. Suspender los microorganismos y nutrientes sólidos.0.0005 0 150 200 250 300 350 rpm 400 450 500 y = 4E-06x .7 1 1 1 1 Valor KLa rpm 0. 12 . Los agitadores rotativos son los más comúnmente utilizados en fermentaciones.7 2.918 Existen diferentes tipos de agitadores cuyas finalidades son: Dispersar el aire en la solución de nutrientes. El mezclado de las fases se debe al movimiento de rotación de un móvil de agitación. ¿Cómo influye el tipo de régimen de mezclado? Tabla 4. en el curso de la fermentación su posición angular es ajustada automáticamente a una en la que se logre el menor consumo de energía posible. ¿Cómo influye el tipo de difusores que se utilizan en los biorreactores? Tabla 5. de ancla y la paleta). los agitadores Spin. cuando la viscosidad del fluido que se agita aumenta. es normalmente entre el 30 y el 50% del diámetro del tanque. ¿Cuál es el efecto del flujo de aireación en la 𝐾𝐿 𝑎? Basándose en la literatura. además. consta de varias paletas sujetas a un eje central (4. los de gasto axial (las hélices marinas.9 1. 1985. 1988ª). rectangulares o los de ancla. polisacáridos) se utilizan agitadores de régimen radial.6 u 8) y el diámetro de esta. La turbina de Rushton es el tipo de agitador más empleado.00037 0. como en el caso de algunas fermentaciones (antibióticos. permite una buena transferencia de oxígeno. como el de paletas grandes. 1985).5 13 . 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.00041 0. el agitador “Spin” deriva de este último tipo y está constituido por cuatro paletas verticales dispuestas en soportes perpendiculares con libertad de rotación sobre ellas mismas. Se utiliza para la agitación de líquidos viscosos. 1985). Valores de 𝐾𝐿 𝑎 obtenido en función del flujo de aireación rpm Viscosidad (cP) 300 300 300 300 1 1 1 1 Kla 0.00078 0. con este tipo de agitador se logra reducir el tiempo de mezclado de medios con viscosidad elevada y. Las turbinas de paletas curvas producen el mismo tipo de acción que las Rushton.00091 Flujo aireación (L/min) 0. Las hélices de paletas grandes delgadas se utilizan para fluidos viscosos ya que pueden utilizarse junto con un agitador de régimen radial (turbina Rushton) ambas colocadas sobre el mismo eje (Scriban. ajustar con regresión lineal los datos y obtenga la ecuación de la recta. Fieldson.Entre este tipo de agitadores se encuentran: los móviles de agitación de gasto radial (las turbinas Rushton y de paletas encorvadas. La acción de corte de este tipo de agitador facilita la transferencia de oxígeno al disminuir la coalescencia de las burbujas (Scriban.7 0. Graficar el valor de 𝐾𝐿 𝑎 obtenido en función del flujo de aireación (solo aquellos valores con rpm y viscosidad).5 0. Conclusiones El estudio de los factores que afectan la transferencia de oxígeno en cualquier tipo de sistema de un biorreactor es fundamental para obtener una optimización durante el desarrollo y producción de microrganismos.4 0..00055x + 0. viéndose afectado el cultivo y el bioproceso (García-Ochoa et al.0006 0. El estudio y entendimiento de Kla. Valores de 𝐾𝐿 𝑎 graficados obtenidos en función del flujo de aireación 0.0005 0.0004 0.0003 0.0001 0 0 0. la viscosidad y la aeración nos aproxima a que el diseño de los biorreactores. por ejemplo el uso de microburbujeadores que suministran el oxígeno en burbujas de gas de menor diámetro.2 0. favoreciendo así la velocidad de transferencia de oxígeno (Deckwer y Schumpe.00012 R² = 0. producen un menor estrés mecánico sobre las células generando condiciones adecuadas para su cultivo.2 1.8 1 Flujo aireación (L/min) 1.0009 0.0008 0. Para superar este inconveniente y evitar que la transferencia de oxígeno sea el paso controlador para el crecimiento microbiano. se emplean como alternativas convencionales cambios en la velocidad de agitación o en el flujo de aireación o en los sistemas de distribución de aire.Figura 13. 1993) también este sistema comparación con otros sistemas de dispersión de gases. Los sistemas de distribución del aire o tipos de difusores hacen que se incremente la transferencia de oxigeno por que regulan el área de contacto entre las fases liquido gas dependiendo del diseño del difusor. 2010).001 0.6 y = 0.0007 KLa 0. está relacionada con su baja solubilidad en soluciones acuosas de nutrientes.78326 Una de las razones principales por las que la disponibilidad del oxígeno en el medio de cultivo es limitada. y los bioprocesos sean mejor aprovechados e ideales para el ambiente de microrganismos 14 .6 0.4 1. incrementando el área de contacto entre éste y el medio líquido.0002 0. . Garcia F. Scriban Rene. Schumpe A. Fermenter Agitation..pt/~bungah/ferment/fermentb. Improved Tools forbubblecolumn reactor design and scale-up. Biotecnology advances. Spain.Bibliografía. Bioreactor scale-up and oxygen transfer rate in microbial processes: An overview.. Gómez E.Biotecnologia. García-Ochoa F. 2010.esb. BiochemicalEngineeringJournal. 15 ..htm. Fieldson Gregory. 168-2016. Oxygenuptakerate in microbialprocesses: Anoverview. 49(3):289-307. Merchuk J. 1988ª.. 48 (5): 889-911. D. Gómez E. Tomado el 2 de marzo de 2015 de: http://www. Santos V. 1993. (2009). México.233. Elsevier.1985. El Manual Moderno.ucp. ChemicalEngineeringProcess. Deckwer W.