C 8 Transferencia y Esterilizacion 2011 Aire

8/17/2019 C 8 Transferencia y Esterilizacion 2011 Aire

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Diseño de Bio-reactoresTransferencia de Energía

Calor de fermentación y balance de energía

M.Elena Lienqueomlienqueing.uc!ile.cl

"ermentación e #ngeniería Metabólica

mailto:[email protected]:[email protected]


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Calores en una fermentación

Transferencia de Energía en el fermentador

Esterili$ación del fermentador

%genda


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Calor de fermentación

El metabolismo celular es una reacción global e&ot'rmica

(i se desea traba)ar a una tem*eratura constante se debe +EM,E+ el calor de la fermentación.

¿ Cómo calcular el Calor de fermentación?

El calor de fermentación /" se *uede calcular en base a balances de energía en los cuales se consideran0

• La o&idación de sustrato

• "ormación de biomasa

%lgunas formas sim*les de estimación son0


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• Fermentaciones anaerobias

(e considera que la fracción de sustrato que se con1ierte a c'lulas es muy *equeña

QF [Kcal/ l h] = QR [Kcal/ l h]

/+0 Calor de reacción de la secuencia metabólica *rinci*al. Este calor se calcula *or los m'todos

termodin2micos cl2sicos basados en calores de combustión y formación.

• Fermentaciones aerobias

Es indis*ensable considerar la formación de biomasa.

3na forma sim*lificada es la *ro*uesta *or Cooney et al. 4567890

QF [Kcal/ l h] = 0.! " #$! [milimoles/ l h]

:,;0 Demanda de o&ígeno


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Balance de energía en todo el fermentador que des*recia la acumulación. (e su*one que los calores de las

corrientes de entrada y salida y son des*reciables.

QF % Q& = Q' % Q(

/%0 Calor de %gitación.

/


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Calores en una fermentación

Transferencia de Energía en el fermentador

Esterili$ación del fermentador

%genda


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istemas de enfriamiento

Equi*o 3sos y limitaciones

C!aqueta 4a9 (e utili$a en equi*os de tamaño *iloto.

%lto costo y 2rea de transferencia limitada(er*entín 4b-d9 Ba)o costo y gran 2rea de transferencia 4*ero en

algunos casos no alcan$a a ser suficiente9


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istemas de enfriamiento

Equi*o 3sos y limitaciones

Llu1ia E&terna Barato y efica$ se usa en con)unto con los ser*entines.

#ntercambiador e&terno4e9

(i el ser*entín no es suficiente.%umento los costos y *eligro de contaminación einsuficiencia de aireación.


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• #ntercambiadores e&ternos

• (on inde*endientes de bioreactor *resentar muc!o me)or intercambio de

calor.

• (e deben considerar las condiciones de esterilidad o&igenación 4sistema

aeróbicos9 y esfuer$os de corte.

i1o de intercambiadores e2ternos

Com1aración entre ti1o de confi3uraciones intercambiadores

Tubos conc'ntricos Tubos y carcasa *aso =nicoTubos y carcasa doble *aso *or los tubos


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4ise5o de e6ui1os de enfriamiento

El diseño de equi*o de enfriamiento se basan en la ecuación0

QF % Q& = Q' % Q(

%sumiendo

/"0 (e calcula seg=n la fermentación 4aeróbica o anaeróbica9.

/% > ?.5 @ /" o se *uede des*reciar.

/


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4ise5o de e6ui1os )cont..-

Luego

QI = QF + QA – QP = 1.1*QF - !@π@DT@AL@ 4Tf Ta9


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En fermentadores industriales la remoción de calor *uede resultar costosa.

En fermentadores *equeños el enfriamiento no es *roblema algunas 1eces !ay que adicionar calor *ara

mantener las condiciones isot'rmicas debido a que las *'rdidas se !acen m2s significati1as.


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'ar7metros de dise5o de intercambiadores de calor

Los *ar2metro de diseño de los #ntercambiadores de calor son0

• Irea de transferencia 4%9

• Coeficiente de transferencia de calor 439


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ransmisión de calor entre fluidos

El diseño de los intercambiadores de calor se basan en0

/ > 3 @%@ ∆T

%0 Irea de transferencia

∆T0 Diferencia de tem*eraturas media logarítmica o aritm'tica

30 Coeficiente global de transferencia de calor 4JF 4m; 99

Donde 0

!! 0Coeficiente de transmisión de calor en el fluido caliente

!c 0Coeficiente de transmisión de calor en el fluido frío

!tc 0"actor de ensuciamiento *or el lado del fluido frío

!t! 0"actor de ensuciamiento *or el lado del fluido caliente

K 0Conducti1idad t'rmica B0 anc!o de la *ared

tcchth hhk

B

hhU

55555++++=


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8alor de conducti9idad t:rmica


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Coeficientes de transmisión de calor


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Factores de ensuciamiento


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4iferencia de tem1eraturas

(i la diferencia de tem*eraturas 1aría a lo largo del intercambiador en esos casos se a*lica la diferencia de tem*eraturas

media logarítmica ∆TL

equi*odelladosambosafrioycaliente

fluidoslosentreratem*eratudesdiferencialassonNTyNT

9Flog4@O?O.;9Fln4

;5

5;

5;

5;

5;

Donde

T T

T T

T T

T T T L

∆∆

∆−∆=

∆∆

∆−∆=∆


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4iferencia de tem1eraturas

Cuando un fluido *ermanece a tem*eratura constante en el intercambiador como es el caso de un fermentador se utili$a la

diferencia de tem*eraturas media aritm'tica ∆T%

fluidootroelsalidayentradaderastem*eratulasTyTyrfermentadoelenfluidodelratem*eratulaesT

;

94@;

;5

"

;5

Donde

T T T T

F

A

+−=∆


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Luego

QI = QF + QA – QP = 1.1*QF - !@π@DT@AL@ 4Tf Ta9

Ecuación de diseño del intercambiador

/# > 3 @%@ ∆T

Peneralmente se des*e)a %

AI = 1.1*QF - !@π@DT@AL@ 4Tf Ta9

3 @ ∆T


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Esterilización

Fermentación


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Esterilización

Conceptos básicos

Las fermentaciones se deben lle1ar a cabo con cultivospuros dado que la *resencia de otros microorganismos

*uede *roducir com*etencia *or los nutrientes yFo *roducción de com*uestos que in!iban la *roducción de

*roductos de inter's *or ello se necesita que al inicio dela fermentación el sistema se encuentre libre de m.o.

E&isten *rocesos que necesitan que los efluentes seencuentren libre de m.o. es el caso de las eta*as finales

de los *rocesos de tratamientos de agua servidas oRILes.


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Para mantener las condiciones de asepsia se pueden aplicar

procesos de

!. Esterilización Erradicación remoción destrucción o

inacti1ación de todo ti*o de 1ida de tal manera que lasc'lulas remanentes no *uedan re*roducirse es decir unaeliminación de la capacidad de reproducción.

". #esinfección +emoción destrucción o inacti1ación de

esas c$lulas que *odrían causar deterioro en el medio4no todas las c'lulas9.

%. Pasteurización +emoción destrucción o inacti1aciónde todo los patógenos viables naturales *or medio de

tratamiento t'rmico tanto *ara sólidos como líquidos.


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Elementos que se deben esterilizar

5. "ermentador

;. Equi*os accesorios5. Mangueras;. Electrodos

O. %gitadores

Q. "iltros

O. Medio de culti1o

Q. %ire que circula *or el fermentador5. Entrada

;. (alida


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&$todos de esterilización

M'todo Condiciones 3so ,bser1aciones

Calor '(medo

)*apor+

5;5RC 4;?"9

5 *si

5 minutos

Medios Líquidos(ólidos

BaratoEficiente

Calor (eco;??RC

; !oras

Elementos de idrio

(ólido

M2s caro que el calor !=medo y m2s lento dado que los m.o son

m2s resistentes al calor seco.

Filtración?.; µm


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Esterilización de aire


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Esterilización de aire

En fermentadores se necesita suministrar aire a 1elocidades del orden de ?. 11m 41olumenes de aire *or 1olumen de fermentador

*or minuto9. ,tilizar calentamiento resulta impracticable.

La concentración standard de m.o en el aire es del orden de 5?O

a 5?Q

m.oFmO

.

Los m'todos m2s utili$ados *ara reali$ar una esterili$ación del aire son0

• "iltros *rofundos

• "iltros de membrana 4absolutos9


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Filtros profundos

(on filtros que se encuentran rellenos de 1ibra de 1idrio que *resenta la

1enta)a de0

• :o se com*rimen muc!o

• :o retienen !umedad

• :o es combustible.

El *rinci*io de estos filtros es que se *rodu$ca un contacto entre los

m.o. y la fibra este contacto *uede ser de diferentes ti*os0

5.- #nterce*ción directa

;.- #m*acto *or inercia

O.- "lu)o turbulento del aire

Q.- Mo1imientos Broniano 4Difusión9

.- %tracción electrost2tica


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#ecaimiento del n(mero de m.o

El decaimiento del n=mero de m.o de*ender2 de la *rofundidad del lec!o resultando una 1ariación de *rimer orden.

%sí

:o :L0 :=mero de m.o a la entrada y salida

res*ecti1amente.

Peneralmente se utili$an filtros de 5 a ; metros.

LK ln ⋅=

L

o

N

N


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Eficiencia

(e define la eficiencia de un filtro η en base al largo necesario *ara alcan$ar el &U de remoción de m.o.

Peneralmente se tabular *ara 6?U de remoción. %sí0

η L

)-o -L +/-o

η L0 ! -L /-o

ηL0 !1 e2p )134L+

(i se desea una eficiencia del 6?U se re*orta L6?U


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E5emplo

(e requiere diseñar el sistema de esterili$ación de un reactor de ?m

O

el cual o*era a una 1elocidad de dilución de ?.; !

-5

. Considere que la

concentración inicial de m.o en el medio de culti1o es de 5?O

m.oFml

La esterili$ación tanto del medio como del aire debe reali$arse en forma continua durante semanas. Los ni1eles de esterilidad deben ser

tales que la *robabilidad de contaminación sea de 5 en 5??.

El flu)o del aire en el fermentador ser2 de ?. 11m 4a 5?? cmFseg9. (e utili$ar2 un filtro *rofundo de fibra de 1idrio *ara esterili$ar el aire en

forma continua. Dic!o filtro se caracteri$a *or *oseer un L6? de ?.?7 mts a 5?? cmFseg. (i la concentración de m.o. en el aire es de

5; @5?O

m.oFmO

. Determine el largo del filtro.


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FFiltros de membrana )absolutos+

((on membranas que tienen un determinado tamaño de *oros *ero resulta *r2cticamente im*osible construir un filtro *ara aire donde el

tamaño de *oros este controlado.

PPeneralmente oscilan entre ?.-5.? µm y ?.;;-?.Q µm.

Peneralmente son de


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Esterilización 6u7mica


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EEsterilización 6u7mica

:o se utili$a am*liamente dado que la mayoría de los desinfectantes tienen ba)a acción. %dicionalmente *ueden interferir en el

crecimiento de los m.o.

(e buscan agente que0

• %ct=en en forma r2*ida

• :o sean caros

• :o sean inflamables

• :o sean e&*losi1os

• :o sean tó&icos

Los m2s utili$ados son0

• β-*ro*iolactona

• ,&ido de etileno 4en medio frio9

• "enol o com*uestos fenílicos 4Crestol ortofenil fenol9

• %lco!oles0 Etanol Metanol

• Aalógenos0 Ai*oclorito Cloroaminas.


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+esumiendo

O

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