intro 5 biorre
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7/22/2019 Intro 5 Biorre
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INSTITUTO POLITCNICO
NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL
INTERDISCIPLINARIA DE
BIOTECNOLOGA
LABORATORIO DE BIORREACTORES
GRUPO: 3BV1
EQUIPO: 3
PROFESORES:MARTINEZ LIMON JONASDURAN HERNANDEZ DAGOBERTO
INTEGRANTES:Alvarez Valois VanesaCruz Arellano BryantGarca Rodriguez Lourdes AndreaRodrguez Vargas DianaUrrutia Cabrera Daniel
INTRODUCCIN
PRCTICA NO. 5
Determinacin de la
velocidad detransferencia deOxigeno
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Etapas de la transferencia deO2 desde la burbuja a la clula
1 - Difusin dentrode la burbuja hacia
la interfase gas-lquido
2 Difusin a travsde la interfase gas-
lquido
3 - Difusin a travsde la pelcula lquida
en torno a laburbuja
4 Movimiento pordifusin en el seno
del lquido
5 - Difusin a travsde la pelcula lquida
en torno al flculocelular
6 Entrada al flculocelular
7 - Difusin a travsdel flculo celular 8Difusin a travsde la membrana
celular
9 Reaccin deoxidacin
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Ilustracin 1 Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
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Ley de Henry
Describe la solubilidad del O2 en un lquido enrelacin a la presin parcial del O2 en el gas encontacto con la fase lquida
C* es la concentracin de saturacin en lasolucin nutriente, Po es la presin parcial deO2 en la fase gaseosa y H es la cte de Henry,especfica para para el gas y la fase lquidaInsuflando aire se logra una concentracin de8 mg O2/L en agua, con oxgeno puro 43 mgO2/L.
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Parmetros que influyen en la
capacidad de transferencia deoxgeno de un sistema defermentacin Diseo del fermentador:
TurbinasBaffles
Aireadores
Geometra:Organismo:
Morfologa
Medio de cultivo:
Solubilidad del oxgeno
Viscosidad
Presencia de agentes tensoactivos
Parmetros del proceso:
Veloc agitacin(RPM)
Caudal aireacin(VVM)
Presin parcial de O2 (pO2)
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Transferencia de Oxigeno
Conversiones microbianas aerbicas
Factor limitante de la productividad celular.
Baja solubilidad del oxigeno en agua
Su velocidad en un biorreactor depende de lascondiciones de operacin y las propiedades fsicas delliquido
=
kLa: coeficiente volumtrico de transferencia de oxigeno (1)
C*: concentracin de oxigeno disuelto en el equilibrio con fasegaseosa (g/L)
C: concentracin de oxigeno disuelto (g/L)
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Contenido de gas del
fermentador y tiempo deresidencia de las burbujas
El O2 debe ser suministrado tratando que las burbujasqueden temporalmente retenidas en el seno dellquido para que el O2 se transfiera a la fase lquida.
A mayor Tiempo residencia de burbuja mayor a latransferencia de O2 hasta el punto en que laconcentracin de O2 de la burbuja es muy baja.
Tiempo de residencia de Burbuja depende deltamao y de la geometra del fermentador (a > h > Tr)
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Factores que afectan la
demanda de oxgeno Velocidad de respiracin determinada por la afinidad
de oxidasas
Tipo de respiracin (aerbica vs anaerbica) Tipo de
sustrato (glucosa vs metano) Otros factores ambientales (pH, temp etc.)
Relacin superficie/ volumen
Tamao (bacteria v clula animal)
Presencia de hifas, clogs, etc.
Naturaleza de la superficie (presencia de capsula,etc.)
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Columna de burbujeo
La velocidad de transferencia deoxigeno es determinada de maneraimportante por el rea superficial de lasburbujas de aire
Debido a la coalescencia las burbujaspueden crecer hasta aproximadamente6 mm de dimetro despus de dejar lazona de dispersin.
Al aumentar la concentracin deelectrolitos disueltos en dicho liquido, seva inhibiendo la coalescencia de lasburbujas.
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Se obtienen fracciones de gasretenido mas grandes
La fracciones de gas retenidodisminuye al aumentar lavelocidad de circulacin.
La transferencia de masa
cambia a lo largo de la rutadel flujo
La diferencia deconcentracin de oxigenocambian de una altura a otra
COLUMN
A
AIRLIFT
La velocidad del lquido representapor lo tanto, un parmetro muy
importante para adaptar la fraccinde gas retenido y el tiempo de
resistencia promedio de las burbujas alos requerimientos de proceso.
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Porque es importantedeterminar KLa para un sistema
de fermentacin? Es un parmetro confiable que sirve para conocer la
velocidad de transferencia del oxigeno de aire alliquido del biorreactor, una de sus caractersticas ms
importantes (la otra es la capacidad de disipar elcalor generado)
Puedo determinar que fermentador es adecuadopara escalar un proceso (scaling up)
Si debo desarrollar un nuevo proceso y adaptarlo a unfermentador de gran escala preexistente, permiteconocer las las limitaciones que voy a tener en plantay limitar el alcance de la etapa I+D (scaling down)
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OBJETIVO Determinar la velocidad de transferencia de
oxigeno(VTO), el coeficiente volumtrico detransferencia de oxigeno(kLa) y la fraccin de gasretenido global en diferentes tipos de biorreactores.
Objetivos especficos Utilizar el mtodo de sulfito para determinar el
coeficiente volumtrico de transferencia de oxigeno.
Utilizar el mtodo dinmico para determinar el
coeficiente volumtrico de transferencia de oxigeno.
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Biorreactores
Biorreactor de tanque agitado
Biorreactor de columna
Biorreactor airlift
Electrodo y medidor de oxigeno disuelto
Reactivos Sulfito de sodio
Sulfato de cobre pentahidratado Solucin de Yodo 0.1N
Solucin de Tiosulfato de sodio 0.1N
Solucin de almidn soluble al 1%
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Mtodo desulfito
La oxidacin de in sulfito a in sulfato donde la velocidad
es independiente de las concentraciones de sulfito yoxgeno
La velocidad de oxidacin es controlada por la velocidadde transferencia de oxigeno a la solucin
DESVENTAJAS
Lento No considera la reologa del medio
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Determinar kLa
Se usa una solucin de NaSO3 que contiene Cu+2 comocatalizador
Se toma una muestra para determinar la concentracinde in sulfito que no reaccion
Yodo
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El yodo que no reaccion
Tiosulfato de sodio
Reacciones 2Na2SO3+ O22Na2SO4 2 Na2SO3+ 2I2+ 2H2O 2Na2SO4+
4HI
2I2+ 4Na2S2O34NaI + 4Na2S4O6
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Determinar kLa porel mtodo dinmico
Balance dinmico de oxgeno bajo condiciones noestacionarias
dC/dt = kLa(C*-C)No contiene microorganismos
El suministro del oxigeno se reemplaza por el suministro delnitrgeno.
Despus se inicia la aireacin a una velocidad constante
ln(C*-C2/C*-C1) = -kLa(t2-t1)
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Ilustracin 2 Grafica de Concentracin de oxgeno disuelto vs tiempo
Ilustracin 3 Grafica de ln(C*-C) vs tiempo
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VentajasPuede determinar KLa durante
una fermentacin realRpido
DesventajasPuede trabajar en un rango
limitado de concentracionesde O2, el nivel no puede caerpor debajo de la Ccrit
Dificil de aplicar enfermentaciones con altademanda de O2 (como la denuestro TP!)
Mide OTR en un solo punto delfermentador, adonde se alojala sonda
Mtodo dinmico
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Mtodo deexpansin
Determina la fraccin de gas retenido global Medir el volumen del lquido aireado y el volumen del
lquido sin airear
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Utilizando la tcnica de gassing out se mide con una sondapolarogrfica el incremento en O2 disuelto de un medio decultivo del cual se ha eliminado el O2
Se elimina todo el O2 del medio por burbujeo de N2, luego seadministra aire y se grafca:
Determinar kLa por elmtodo esttico (no utilizado
durante la practica)
Ilustracin 4 Grafica de Concentracin de oxgeno disuelto vs tiempo
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Mtodo esttico
Ventajas Rpido ~15 mins Puede utilizar medio de
cultivo
Desventajas En escala industrial se
requieren grandescantidades de N2 paraeliminar todo el oxigeno
Mide la transferencia de O2n un unico punto del
fermentador El tiempo de respuesta del
electrdo introduce errores
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Desarrollo experimentalDeterminacin del kLa por el mtodo del sulfito.
Agregar al biorreactor la solucin de Sulfito de sodio 0.4 M.
Adicionar la solucin de Sulfato de cobre al biorreactor.
Ajustar el pH a un valor de 7.2 con HCl concentradoAjustar el pH aun valor de 7.2 con HCl .
Poner a funcionar el biorreactor
Tomar una muestra de 1 mL y verterla a un matraz de 250 mL, con10 mL de la solucin de Yodo 0.1N.
Despus de tomar 5 muestras, detener la aireacin y/o laagitacin
Titular el exceso de Yodo de los matraces donde se depositaron las
muestras con la solucin de Tiosulfato de sodio 0.1N
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Determinacindel kLa por el
mtodo
dinmico
Calibrar el electrodo deoxgeno disuelto e
instalarlo en elbiorreactor
Llenar el biorreactor conagua, hasta alcanzar elvolumen de operacin.
Poner a funcionar elbiorreactor de acuerdoa las condiciones de
operacin
suministrar nitrgenopara que la C disminuya
Cuando la C sea de 0%a 10% de saturacin,suspender el suministro
de nitrgeno
iniciar el suministro deoxgeno a un flujo
correspondiente a unacondicin de operacin
Registrar el % deOxigeno cada cierto
tiempo
Cuando el % desaturacin de oxgenodisuelto sea alto, delorden de 90% a 100%
puede terminar elexperimento
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Condiciones de operacin
Biorreactor tanque agitado. Velocidades deagitacin: 300 y 700 rpm. Para cada velocidad deagitacin se probarn las siguientes velocidades de
aireacin: 0.3, 0.6, 1.0, 1.2 y 1.5 vvm. Biorreactores de columna de burbujeo y airlift.
Velocidad de aireacin: 0.3, 0.6, 1.0, 1.2 y 1.5 vvm
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BIBLIOGRAFA
Aiba, S., Humphrey, A. E., Millis N. F. (1973),Biochemical Engineering, 2 edicin, EditionAcademic.
Harper, E. H. (2000), El ABC de la instrumentacin en elcontrol de procesos industriales, Limusa, 1 edicin,Mxico
. Wang, D .I .C ., Cooney, C. L, Demain, A. D., Dunill, P.,Humphrey, A. E., Lilly, M. D. 1978. Fermentation and
enzyme technology. John Wiley and Sons.