c 7 Esterilizacion Enfriamiento

Transferencia de Energía Calor de fermentación y balance de energía

Calor de fermentación El metabolismo celular es una reacción global exotérmica  Si se desea trabajar a una temperatura constante se debe REMOER el calor calor de la fermentación! fermentación! ¿ Cómo calcular el Calor de fermentación?

El calor de fermentación" # $" se puede calcular en base  balances de energía en los cuales se consideran% &

'a oxidación de sustrato

&

$ormación de biomasa

(lgunas formas simples de estimación son%

a

•Fermentaciones anaerobias

Se considera )ue la fracción de sustrato )ue se con*ierte a células es muy pe)ue+a  QF [Kcal/ l h] = QR [Kcal/ l h]

#R % Calor de reacción de la secuencia metabólica principal! Este calor se calcula por los métodos termodin,micos cl,sicos"  basados en calores de combustión y formación! formación! •Fermentaciones aerobias

Es indispensable considerar la formación de biomasa! -na forma simplificada es la propuesta por Cooney et al! ./0123% QF [Kcal/ l h] = 0.! " #$! [milimoles/ l h]

 4O5% 6emanda de oxígeno

7alance de energía en todo el fermentador" )ue desprecia la acumulación! Se supone )ue los calores de las corrientes de entrada y salida y son despreciables! QF % Q& = Q' % Q(

#(% Calor de (gitación! (gitación! #8% 8érdidas de calor  #9% Calor transferido por el sistema de enfriamiento! Este térmico ser, significati*o en células )ue cre:can a altas tasas! (dem,s" QF )*+, [Kcal/ l h] -  Q& )0.*+!., [Kcal/ l h] -

istemas de enfriamiento

E)uipo

-sos y limitaciones

C;a)ueta

Se utili:a en e)uipos de tama+o  piloto! (lto costo y ,rea de transferencia limitada

Serpentín

7ajo costo y gran ,rea de transferencia .pero en algunos casos no alcan:a a ser suficiente3

'lu* 'lu*ia ia Exte Extern rnaa

7ara 7arato to y efi efica ca:" :" se usa usa en en con conjun junto to con los serpentines!

9ntercambiador Si el serpentín no es suficiente! externo (umento los costos y peligro de contaminación e insuficiencia de aireación!

ise1o de e2ui3os de enfriamiento

El dise+o de e)uipo de enfriamiento se basan en la ecuación% QF % Q& = Q' % Q(

(sumiendo #$% Se calcula seg!/ ? #$ " o se puede despreciar! #8% Se puede estimar como las pérdidas de calor por las paredes de un cuerpo cilíndrico" suponiendo )ue tanto la temperatura interna como externa son constantes! 'uego #8 = ;?π?6T?@'? .Tf  A Ta3 ;% Coeficiente de con*ección B /> A5 Dcal; m 5F 6T% 6iametro del tan)ue!

@'% (ltura del lí)uido

ise1o de e2ui3os )cont..-

'uego QI = QF + Q A – QP = 1.1*QF -

;?π?6T?@'? .Tf  A Ta3

En el caso de serpentines" se re)uiere de un serpentín )ue utilice generalmente agua como refrigerante! 6ic;a agua se calienta entre T/ y T5! 'a ecuación de dise+o es% QI = U*As*

∆T

-% Coef! Hlobal de transferencia de calor BI>>J2>> Dcal; m 5 KCF (S% (rea de transferencia de calor del serpentín!

∆T % Temperatura media logarítmica entre .Tf  A T/3 y .Tf  A T53

ise1o de e2ui3os )cont..-

En fermentadores industriales la remoción de calor puede resultar costosa! En fermentadores pe)ue+os" el enfriamiento no es problema" algunas *eces ;ay )ue adicionar calor para mantener las condiciones isotérmicas" debido a )ue las pérdidas se ;acen m,s significati*as!

Esterilización Fermentación

Esterilización Conceptos básicos 'as fermentaciones se deben lle*ar a cabo con cultivos puros" dado )ue la presencia de otros microorganismos puede producir competencia por los nutrientes yo producción de compuestos )ue in;iban la producción de productos de interés" por ello se necesita que al inicio de la fermentación el sistema se encuentre libre de m.o. Existen procesos )ue necesitan )ue los efluentes se encuentren libre de m.o !" es el caso de las etapas finales de los procesos de tratamientos de agua servidas  o RILes!

Para mantener las condiciones de asepsia se pueden aplicar procesos de

!.

Esterilización Erradicación" remoción" destrucción o inacti*ación de todo tipo de *ida" de tal manera )ue las células remanentes no puedan reproducirse" es decir" una eliminación de la capacidad de reproducción!

".

#esinfección Remoción" destrucción o inacti*ación de esas c$lulas  )ue  podrían causar deterioro en el medio .no todas las células3!

%.

Pasteurización Remoción" destrucción o inacti*ación de todo los patógenos viables  naturales por medio de tratamiento térmico tanto para sólidos como lí)uidos.

Elementos que se deben esterilizar /!

$ermentador 

5!

E)uipos accesorios /!

Mangueras

5!

Electrodos

L!

(gitadores

I!

$iltros

L!

Medio de culti*o

I!

(ire )ue circula por el fermentador /!

Entrada

5!

Salida

&$todos de esterilización Método

Condiciones

-so

Obser*aciones

Calor '(medo )*apor+

/5/C .5>$3 / psi / minutos

Medios 'í)uidos Sólidos

7arato Eficiente

Calor Seco

5>>C 5 ;oras

Elementos de idrio Sólido

M,s caro )ue el calor ;JL esporas" ie" / de />>> fermentaciones se contamine .4t = /> JL esporas3! 8uede usarse otro criterio! L! Si la esterilidad inicial es desconocida" se asume una concentración" B4oF" del orden de />L esporasml

Procesos de esterilización El proceso de esterili:ación comprende tres etapas% a3 Etapa de calentamiento  b3 Etapa de mantención c3 Etapa de enfriamiento 8or lo tanto el factor Q6E' puede di*idirse en estas tres etapas%

∇Total  = ∇ calentamiento + ∇ mantención + ∇ enfriamiento

8uede ser lle*ado a cabo en% &$orma 7atc; &Continua

∇ΤΟΤΑ'

 d

Esterilización =atc>  'as etapas de calentamiento yo enfriamiento pueden ser% 8ara Calentamiento & a3 apor 6irecto .Modelo ;iperbólico3 &  b3 Resistencia Eléctrica .Modelo 'ineal3 & c3 Camisa de calefacción con fuente isotérmico .Modelo Exponencial3

*apor

Camisa de *apor Resistencia El$ctrica

Esterilización =atc> 8ara Enfriamiento d3 Camisa de enfriamiento alimentada con fuente noJisotérmica y recirculación!

Camisa de Enfriamiento

Los factores ?#EL@ Calentamiento o enfriamiento

∇

  ∆ E   dt  k  ⋅ exp − = ∫       RT    T 

d 

calentamiento  enfriamiento

do

To

donde la temperatura es una función del tiempo" ie! T = f.t3 6ependen del tipo de calentamiento o enfriamiento utili:ado!

&antención

∇mantención  =  d mantención ? ∆t

Perfiles de temperatura Calentamiento a3

Con *apor directo .Modelo ;iperbólico3

- 7 -o A )' B msB t+6 )cB )&Am sBt+ To% temperatura absoluta inicial del medio BDF c% calor específico del medio BDg DF @% Entalpía del *apor relati*a a la temperatura del medio @ =@8resión saturación A @ TGmedio BDgF

M

ms % $lujo m,sico de *apor BgsF M% Masa inicial de medio a esterili:ar BgF

ms

Perfiles de temperatura Calentamiento  b3

Con flujo de calor constante" resistencia eléctrica .Modelo 'ineal3

 - 7 -o A qB t6)cB &+ To% temperatura absoluta inicial del medio BDF

)% *elocidad de transferencia de calor BsF c% calor específico del medio BDg DF M% Masa inicial de medio a esterili:ar BgF

Perfiles de temperatura Calentamiento c3 Camisa de calefacción con fuente isotérmico .Modelo exponencial3

- 7 -' A ) -o  -'+B e )85B/Bt6cB&+ T@% Temperatura absoluta de la fuente de calor BDF To% temperatura absoluta inicial del medio BDF c% calor específico del medio BDg DF

M% Masa inicial de medio a esterili:ar BgF -% Coeficiente de transferencia global Bs m 5 DF (% (rea de transferencia Bm 5F

Perfiles de temperatura Enfriamiento d+ Camisa con fuente no isotérmica y recirculación .Modelo exponencial3

- 7 -co A ) -o  -co+B e:p D)!8 e)85B/6cBmc+ + mc Bt 6& TCO% Temperatura absoluta de la fuente enfriadora To% temperatura absoluta inicial del medio BDF mc% $lujo m,sico del refrigerante BgsF c% calor específico del medio BDg DF

M% Masa inicial de medio a esterili:ar BgF -% Coeficiente de transferencia global Bs m 5 DF (% (rea de transferencia Bm 5F

/lgoritmo para el dise ! El objeti*o es determinar el tiempo que debe durar la etapa de mantención" dado el tiempo de las etapas de calentamiento y enfriamiento dependen del proceso de transferencia utili:ado! a3  b3 c3 d3

Calcular ∇Total = ln .4o4t3 6eterminar perfiles de T *s tiempo de duración de las etapas Hraficar  d *s t" dependiendo del proceso de calentamiento y enfriamiento! 9ntegrar el ,rea de  d *s tiempo para las etapas de calentamiento y enfriamiento! 9ntegración gr,fica" algebraica o numérica!

t mantención

=

∇

mantención

k d ⋅⋅ mantención

=

∇

total 

− .∇

calentamiento

+∇

k d ⋅⋅ mantención

enfriamiento

3

Ejemplo

-n fermentador contiene I> mL .5KC3! 6ic;o fermentador ser, esterili:ado por inyección directa de *apor saturado! El medio contiene  ?/>/5 BbacteriasmLF y necesita ser reducido a los ni*eles est,ndar ./? />JL bacterias 3 El *apor .LI D8a3 puede ser inyectado a un flujo de >>> Bg;rF y se detendr, cuando el sistema alcance /55KC! 6urante la mantención la pérdida de calor ser, despreciable! -na *e: producida la esterili:ación se pasar,n />> BmL;rF a 5>KC de agua para enfriar ;asta L>KC! El serpentín tiene un ,rea de I>Bm5F y un coeficiente de transferencia de calor para el enfriamiento de 5>> B;r m5 DF 'a resistencia de las esporas se puede caracteri:ar por % 9 d 7 .G !H% e ) 8".J%K !H6 R-+ B;r J/F 'a capacidad calórica del medio y la densidad son % I!/2Pg D y />>> gmL 'a entalpía del *apor saturado a LID " @ 8resión saturación = 5PL/ DDg 'a entalpía a 5KC" @temp medio = /> DDg Estime el tiempo necesario para realizar una esterilización adecuada.

Calculo de ∇Total ∇total = ln .4o43 =   ?/>/5 Bm −L F ? I>BmL F  = L0!2B−F ln   −L /?/>  

8erfiles de calentamiento y Enfriamiento

& TCalentamiento = 502 P2!I? t ./!>/5?t3  A  Si Tfinal = /55KC = L0D  t = /!I1 B;F ∀∇calentamiento = /I!2 BJF

&TEnfriamiento = L0!2 J />5? e .J>!1PI?t3 JSi Tfinal = L>KC = L>L D  t = L!I B;F ∀∇enfriamiento = /L!0 BJF

t mantención =

∇ mantención

k d ⋅⋅ mantención

t mantención

=

=

∇ total  − .∇ calentamiento + ∇ enfriamiento 3

L0!2 − /I!2 − /L!0 /0P!1

k d ⋅⋅ mantención

= >!>1Bhr F = L!LPBminF

#iseL0 exp . J5!2LI /> RT3 B;r J/F 'a constante ideal de los gases R" es igual a 2!L/II D mol 'a densidad y *iscosidad del medio son% />>> gmL y L!1 gm ; respecti*amente El dise+o debe considerar el total de m!o )ue pudieran ingresar al fermentador" durante todo el tiempo de la fermentación!

Efecto de dispersión Existe una des*iación del frente de a*ance del fluido por efectos de la *iscosidad" las turbulencias y la fricción con las paredes de la tubería! Esto pro*oca )ue se genere un frente de *elocidades en el interior de la tubería" lo )ue conlle*a a una esterilización desigual   llegando a casos extremos en )ue ;aya una parte del fluido )ue no se esterilice!

Si se considera un modelo dispersión" en la dirección x" para e*aluar esta situación se tiene %

d  . D ⋅ dN  dx 3 dx 6ifusión 6onde

J

d. u ⋅ N 3

dx Con*ección

−

k d   N  = O

Muerte

6% Coeficiente de difusi*idad U% elocidad promedio del fluido

.(3

Si se adimensionali:an las *ariables de la ecuación anterior%  4V = 44o xW= x' U = $( = $lujo *olumétrico  Xrea Trans*ersal Si se definen los n L a />I m!omL! 'os métodos m,s utili:ados para reali:ar una esterili:ación del aire son% &$iltros profundos &$iltros de membrana .absolutos3

Esterilización de aire

Filtros profundos Son filtros )ue se encuentran rellenos de *ibra de *idrio )ue presenta la *entaja de%

• • •

4o se comprimen muc;o 4o retienen ;umedad 4o es combustible!

El principio de estos filtros es )ue se produ:ca un contacto entre los m!o! y la fibra" este contacto puede ser de diferentes tipos% /!J 9ntercepción directa 5!J 9mpacto por inercia L!J $lujo turbulento del aire I!J Mo*imientos 7roZniano .6ifusión3 !J (tracción electrost,tica

#ecaimiento del n(mero de m.o El decaimiento del n[ se reporta ' 0>[

Filtros de membrana )absolutos+ Son membranas )ue tienen un determinado tama+o de poros" pero resulta pr,cticamente imposible construir un filtro para aire donde el tama+o de  poros este controlado! Heneralmente oscilan entre >!J/!> µm y >!55J>!I µm! Heneralmente son de 8oli*inilalco;ol .8(3 'as *entajas son% -na pe)ue+a caída de presión produce una gran eficiencia • 6es*entajas Resultan fr,giles y de corta *ida • 'as fuentes de aire deben estar libres de aceite!

Esterilización 4uNmica