UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “TOMÁS FRÍAS” FACULTAD DE CIENCIAS AGRÍCOLAS Y PECUARIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

BIOTECNOLOGÍA TEMA 6: DISEÑO DE BIOREACTORES

(PRIMERA PARTE)

• FUNDAMENTAR LA OPERACIÓN DE UN BIORRECATOR AERÓBICO OBJETIVOS:

• ESTABLECER EL SITEMA DE CONTROL DE VARAIBLES

• ESTABLECER LOS TIPOS DE BIORREACTORES

• ESTABLECER LOS SISTEMAS DE AIREACIÓN, AGITACIÓN Y ENFRIAM.

• FUNDAMENTAR EL CÁLCULO DE LA POTENCIA DE AGITACIÓN • FUNDAMENTAR EL CÁLCULO DE LA DEMANDA DE OXÍGENO

REACTORES EMPLEADOS EN LOS PROCESOS FERMENTATIVOS

OPERACIÓN DE UN BIORREACTOR

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE UN BIORREACTOR

Dimensionamiento, Vol o D o τ Tamaño del fermentador: Con las ecuaciones de Diseño: OK

Aireación y Agitación, P y N Permite una adecuada Transferencia de O2 y energía y una

buena mezcla Se determinan potencias, velocidad de agitación Flujos de Aire

Escalamiento Laboratorio → Planta Piloto→ Escala Industrial

Instrumentación y control

Registrar variables del proceso: OK Controla las variables del proceso: OK

DISEÑO DE FERMENTADORES

AGITACIÓN: OBJETIVOS: Mezclar el caldo de fermentación, solubles e insolubles para obtener una suspensión uniforme. Dispersar los gases (aire) en pequeñas burbujas cuando

atraviesa el caldo de fermentación. Mantener en suspensión las partículas sólidas (ej. células). Acelerar las velocidades de transferencia de masa (nutrientes

y aire) disminuyendo el espesor de película líquida estática. Mejorar la transmisión de calor hacia o desde el líquido.

AGITACIÓN Y AIREACIÓN

AGITACIÓN o MEZCLADO: Es una operación física que hace al fluido más uniforme, eliminando gradientes de concentración, temperatura y otras propiedades. Es una de las operaciones más importantes del bioprocesado, permite crear las condiciones ambientales óptimas, para que las células tengan acceso a todos los sustratos incluyendo el oxígeno el los cultivos aerobios.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE AGITACIÓN

Motor Impulsor, debe ser de corriente alterna (a.c), preferiblemente de inducción y su potencia debe calcularse para manejar el doble (200%) de la potencia teórica requerida para agitar el fluido y el cultivo a Re≥3000.

Sello Mecánico: Evita la contaminación, mantiene hermético el sistema, sirve de amortiguador de fricción, permitir la esterilizar in situ del biorreactor, mediante una línea de vapor sobrecalentado.

Tanque con fondo redondeado para evitar regiones estancadas. Impulsores (impeler o rodetes). Pantallas deflectoras (Baffles). Eje de rotación. Transmite la potencia del motor al impulsores, diámetros ¾” – ½” y de acero inoxidable.

TIPOS DE RODETES (IMPELER)

(Ancla) (Hélice)

(Turbina de disco con 6 palas planas)

(Canalete) (Ancla de reja) (Tornillo helicoidal)

(a) Para líquidos de baja viscosidad.

(b) Separados de la pared a 1/50 el diámetro del tanque, para líquidos de moderada viscosidad.

(c) Formando un ángulo con la pared del tanque, para líquidos de alta viscosidad. 9

POSICIONES DE LOS DEFLECTORES (BAFFLES) - Para obtener un alto grado

de mezclado se utilizan placas deflectoras para romper las líneas de flujo.

- Para prevenir la formación de vórtices. Es suficiente 4.

TIPOS DE FLUJO EN UN TANQUE AGITADO Rodetes de flujo radial. Las palas de los rodetes están situadas de forma paralela al eje vertical del agitador.

Rodetes de flujo axial. Tienen palas que forman un ángulo inferior a 90º con el plano de rotación.

Turbina de palas inclinadas

Turbina de disco con 6 palas planas (turbina Rushton)

Agitación por paletas Agitación por aire

DIFERENTES SISTEMAS DE AGITACIÓN Y AIREACIÓN

2 o 3 rotores en un mismo eje

En estos fermentadores la agitación y a aireación se logran mediante la inyección de aire por la parte inferior de la cuba de fermentación,

SISTEMAS AIR-LIFT

13

SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO Equipo Usos y limitaciones

Camisa Se utiliza en equipos de tamaño piloto. Alto costo y área de transferencia limitada

Serpentín Bajo costo y gran área de transferencia (pero en algunos casos no alcanza a ser suficiente)

Lluvia Externa Barato y eficaz, se usa en conjunto con los serpentines.

Intercambiador externo Si el serpentín no es suficiente. Aumento los costos y peligro de contaminación e insuficiencia de aireación.

AIREACIÓN: Algunas consideraciones que se debe tomar son:

Proporcionar a los microorganismos el oxígeno necesario para llevar a cabo su proceso respiratorio.

La solubilidad del O2 es baja < 10mg/l ⇒ se necesita alimentar en forma continua este “nutriente”, dado que su demanda es aproximadamente de 1g/l.

Cálculo de Potencia para la agitación en un Biorrecator

•Sistemas sin aireación •Sistema con aireación •Hold-up

POTENCIA DE AGITACIÓN:

FLUIDOS NEWTONIANOS SIN AIREACIÓN

Depende de: La velocidad del agitador, la geometría del rodete, propiedades del fluido Todas estas variables se expresan en forma de números adimensionales, como el Número de Reynolds del rodete y el Número de potencia.

Donde: P :Potencia externa entregada por el agitador (Watt) Ni :Velocidad de rotación del agitador (impeler) (cps) Di :Diámetro del rodete o impulsor (m) ρ :Densidad del Fluído [kg/m3] Np = f( Re modificado , geometría del sistema) : Número de potencia

) , ( µρ

µρ2

Re iiDN= 53

iip DN

PN⋅⋅

=ρ

Una vez que se conoce el valor de Np (correlaciones), la potencia se calcula a partir de:

53... iiP DNNP ρ=

Dimensiones estándar

Turbina Rushton de

6 palas

Dimensiones estándar

Hélice marina

Ancla

Cinta helicoidal

FLUIDOS NEWTONIANOS SIN AIREACIÓN

Para un determinado rodete, la relación entre Np y Re depende del régimen de flujo existente en el tanque. Régimen laminar: Re<10.

321 ... ii DNkP µ=

Régimen Turbulento: Es independiente del Re

53...´iiP DNNP ρ=

53 1010Re −>

LA DENSIDAD NO INFLUYE

LA VISCOSIDAD NO INFLUYE

DIFERENTES CONFIGURACIONES Si la configuración del biorreactor real fuese diferente, se deben aplicar los siguientes factores:

Se aplica para encontrar la potencia del biorreactor real con geometría diferente al estandar.

P (real) = Fc . P (estándar)

GENERALMENTE:

Estandar

L

Estandar

Real

L

Real

DiH

DiDt

DiH

DiDt

c

=F

3DiDt

Estandar

=

3

DiH

Estandar

L=

En los sistemas sin aireación con un espaciamiento entre rodetes de al menos un diámetro de rodete, la potencia descipada por los diferentes rodetes puede expresarse aproximadamente como:

(P)n: Potencia consumida por los n rodetes.

(P)1: Potencia consumida por 1 rodete.

1)()( PnP n =

Si se tiene un nº de sets de impulsores >1

Espaciamiento entre impelers

Di < Hi < 2* Di

>>

Di2Di-H º

DiDi-H LL impelerden

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE IMPULSORES

EJEMPLO:

Cálculo de la potencia necesaria para la agitación

DIMENSIONES ESTANDAR

Ejemplo: Realizar el diseño geométrico de un biorreactor con impulsor turbina Rushton de 6 palas para un volumen de fermento de 3,7341 m3. Dibujar a escala.

EFECTO DE LA AIREACIÓN – POT. NECESARIA FLUIDOS CON AIREACIÓN

CUANDO SE INYECTA GAS EN EL LÍQUIDO:

- SE REDUCE LA POTENCIA DE AGITACIÓN.

- DISMINUYE POR EFECTO DE LA DENSIDAD DEL AIRE. (Mezcla)

- LAS BURBUJAS AFECTAN EL COMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO DEL FLUIDO ALREDEDOR DEL RODETE.

- DISMINUYE LA RESISTENCIA AL FLUJO DEL FLUIDO.

- LA REDUCCIÓN EN EL CONSUMO DE POTENCIA ES NO UNIFORME.

DEPENDE DEL TIPO DE AGITADOR Y LA VELOCIDAD DE AIREACIÓN, LO CUAL SE TRADUCE EN EL GRADO DE DISPERSIÓN DE LAS BURBUJAS ALREDEDOR DEL AGITADOR Y DEL TANQUE.

POT(gas) / POT (sin gas)

agitación de Velocidad tanquedelsección una de travésa aire del Aparente Velocidad

=aN

3i

2i

DNDF

i

gga DNi

Fi

N⋅

=⋅

=

Fg : Flujo de aireación [m3/seg]

FLUIDOS CON AIREACIÓN

• EN LOS CULTIVOS DE MICROORGANISMOS MICELIALES SE ENCUENTRA, POR LO GENERAL, QUE LAS CÉLULAS SUFREN DAÑO CUANDO LA VELOCIDAD EN LA PUNTA DEL IMPULSOR ES MAYOR A 5 m/s, (LYND, 1989).

.

Para impulsor tipo: six – flat blade turines Donde:

V: Volumen del cultivo (m³)

Fg: caudal volumétrico del gas (m³/s)

Dt: Diámetro del tanque (m)

g. Aceleración de gravedad (m/s²)

Di: Diámetro del impulsor (m)

Ni: Velocidad del impulsor (cps) Ref.: “Biochemical Engenering” - Katoh - Yoshida

FLUIDOS CON AIREACIÓN (Correlaciones empíricas)

−=

3

g)/(96.12

115.0238.4 F.

/.

Dt Di 129

i

DtDi

iii

o

g

NiDgNDND

PP

Log i

ρµ

( ) ( ) ( )NaFriPP

Log DtDi

o

g )/(96.1115.038.4

.Re.Dt Di 129

−=

20.0

3/2

4225.0

i

g

.

NF

10.0−−

=

VWgDN

VPP

io

g ii

Fg: Caudal volumétrico del gas (m³/s)

g. Aceleración de gravedad (9,81 m/s²)

Wi: Ancho de la paleta del rodete (m)

(Para impulsor flat-blade turbine)

(deviación media de la ecuación: 12%)

V: Volumen del líquido (Mosto)

Di: Diámetro del impulsor (m)

Ni: Velocidad del agitador (cps)

FLUIDOS CON AIREACIÓN (Correlaciones empíricas)

(Correlaciones: Paulin Doran, página 159,

Katoh - Yoshida, página 115,

Para las condiciones de Na : 0 – 12 * 103

Pg/Po: 0.3 - 1,0

Ref: Aiba S (1973)” Biochemical Engineering” Academic Press, NY.

np: Número de paletas

GRÁFICO Na vs Pg/Po - Flat –blade turbine

Para determinar la velocidad de flujo de aire necesario, se puede tomar como dato la demanda de oxígeno, considerando la eficiencia de absorción, E (3-30%).

La tasa especifica de aireación se entrega en “volumenes de aire por volumen de líquido por minto” o vvm.

6027321.01000

4.22⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅==

πETN

VFvvm A

liquido

aire

NA: en [milimoles O2/ h l] T: en [K] π : Presión [atm] Generalmente - A nivel laboratorio aireación = 1.5 vvm - A nivel Industrial aireación = 0.2-0.7 vvm

Ref: Acevedo F.,Gentina JC., Illanes A (2002) Fundamentos de Ingeniería Bioquímica, Ed. Universitarias de Valparaíso

VELOCIDAD DE FLUJO DE AIRE

Otra forma es expresar la aireación: Como velocidad superficial del aire, vs. tsg AvF ⋅=

At: Area de la sección transversal del fermentador.

Usualmente “vs” está entre 30 -300 [cm/min]

Ref: Acevedo F.,Gentina JC., Illanes A (2002) Fundamentos de Ingeniería Bioquímica, Ed. Universitarias de Valparaíso

VELOCIDAD DE FLUJO DE AIRE

t

gS A

Fv =

4. 2t

gS D

Fv

π=

HOLD-UP DE LAS BURBUJAS

Al adicionar aire a un tanque agitado las burbujas tienden a arrastrar un volumen de liquido. La altura a la cual arrastrada el líquido se llama Hold-up, Ho (%).

Dicho valor es un porcentaje de la altura total de líquido en el tanque, HL. Para determinar este valor es necesario aplicar la siguiente correlación:

Ho (%) = ( Po/V)0.4 vs0.5

Donde:

• Po/V : Potencia por unidad de volumen del sistemas sin gasificar (HP/m³)

• vs: velocidad lineal de aire en el tanque vacío (m/hr)

)()( 1PnP n =

Impulsores para fluidos poco viscosos

Turbina de disco Rushton L= D/4; W=D/5 y

Impulsor de 3 palas inclinadas (“hydrofoil”) Varios ángulos e inclinaciones de palas

Aplicaciones de los diferentes tipos de impulsores: 1. Para líquidos poco viscosos 2. Para líquidos muy viscosos

Hélice Pitch = 1,5

Palas inclinadas W=D/5; ángulo=45º

Impulsores para fluidos muy viscosos

Ancla Wi= Di/10 h= Hi=Di

Espiral dupla Dint= Di/3 Wi= Di/6

IMPULSOR DE HÉLICE: Para fluidos de baja viscosidad (µ < 2 Pa.s). El patron de circulación es axial. Suspensión de sólidos, mezcla de fluidos inmiscibles y transferencia de calor. Posee una amplia gama de rotaciones

Di = 1/10 Dt Di = Diámetro de hélice T = Diámetro de tanque

TURBINA DE PALAS RECTAS: Gran intervalo de viscosidades: 10-3 <µ< 50 Pa.s.

(1 cP < µ < 50 000 centipoises)

Los impulsores de palas verticales forman un flujo radial adecuado para agitación de fluidos viscosos.

Los de palas inclinadas presentan escurrimiento axial que es útil para suspensión de sólidos (células)

TURBINA RUSHTON: Las turbinas de disco y plato son adecuadas para agitación de fluidos poco viscosos y alta velocidad. Se usa para dispersión de gases en líquidos, en la dispersión de sólidos, en la mezcla de fluidos imiscibles, y en la transferencia de calor. Distribuyen la energía de manera uniforme. El tipo de flujo es mixto.

Di = 1/3 Dt

IMPULSORES DE ANCLA Y HÉLICE: Utilizados para mezcla de fluidos muy consistentes. Viscosidades entre 5 y 50 Pa.s. El ancla modelo proporciona un flujo mixto y el modelo helicoidal proporciona un flujo axial Di ≈ T

Selección del tipo de agitador Incluso hoy en día el proceso de elegir el

agitador apropiado, se considera un "arte".

Tipo de impulsor Intervalo de viscosidades

Viscosidades en centipoises

Viscosidades en kg/m.s

Ancla 32 10210 ×− 210 1 −− Hélice 40 1010 − 13 1010 −− Turbina 40 10310 ×− 13 10310 ×−− Palas rectas 42 10310 ×− 11 10310 ×−− Parafuso helicoidal 53 103103 ×−× 21033 ×− Banda doble helicoidal 64 10210 ×− 31 10210 ×− Extrusor 610> 310>

10 100 1000 104 105 litros

104

105

106

103

102

101

Extrusor

Âncora, Banda dupla helicoidal

Pás

Turbina

Vis

cosi

dade

101

102

103

100

10-1

10-2

Hélice (1750 rpm)

Hélice (420 rpm)

Hélice (1150 rpm)

104 105 m3101 102 103

5-30 rpm

5-60 rpm10-100 rpm

90-400 rpm

(3400 rpm)

cPs Pa.s

Volume

Moinho de rolos