Diseno de Biorreactores

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

BIOTECNOLOGÍA TEMA 6: DISEÑO DE BIOREACTORES (PRIMERA PARTE) OBJETIVOS: • FUNDAMENTAR LA OPERACIÓN DE UN BIORRECATOR AERÓBICO • 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

DISEÑO DE FERMENTADORES 







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:  Controla las variables del proceso:

OK OK

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. 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.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE AGITACIÓN 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. 



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.

TIPOS DE RODETES (IMPELER)

(Turbina de disco con 6 palas planas) (Ancla)

(Canalete)

(Hélice)

(Ancla de reja)

(Tornillo helicoidal)

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. (a) Para líquidos viscosidad.

de

baja

(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.

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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. Turbina de disco con 6 palas planas (turbina Rushton) Rodetes de flujo axial. Tienen palas que forman un ángulo inferior a 90º con el plano de rotación. Turbina de palas inclinadas

DIFERENTES SISTEMAS DE AGITACIÓN Y AIREACIÓN Agitación por paletas

2 o 3 rotores en un mismo eje

Agitación por aire

SISTEMAS AIR-LIFT

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 DE ENFRIAMIENTO

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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 ( ρ , µ ) Todas estas variables se expresan en forma de números adimensionales, como el Número de Reynolds del rodete y el Número de potencia.

Re =

N i Di2 ρ

µ

P Np = ρ ⋅ N i 3 ⋅ Di 5

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

P = N P .ρ .N i3 .Di5

Turbina Rushton de 6 palas

Dimensiones estándar

Dimensiones estándar

Cinta helicoidal

Hélice marina

Ancla

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 103 − 105 LA VISCOSIDAD NO INFLUYE

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

 Dt   HL       Di  Real  Di  Real Fc =  HL   Dt       Di  Estandar  Di  Estandar Se aplica para encontrar la potencia del biorreactor real con geometría diferente al estandar.

P (real) = Fc . P (estándar) GENERALMENTE:

 Dt  =3    Di  Estandar

 HL  =3    Di  Estandar

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE IMPULSORES 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: Si se tiene un nº de sets de impulsores >1

( P) n = n( P)1 (P)n:

Potencia consumida por los n rodetes.

(P)1:

Potencia consumida por 1 rodete.

Espaciamiento entre impelers Di < Hi < 2* Di  HL - Di   HL - 2Di    > n º de impeler >    Di   Di 

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. POT(gas) / POT (sin gas)

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.

FLUIDOS CON AIREACIÓN

N = a

.

Velocidad Aparente del aire a través de una sección del tanque Velocidad de agitación

Fg : Flujo de aireación [m3/seg]

Na =

Fg D i2 Ni ⋅ D i

=

Fg Ni ⋅ Di3

• 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).

FLUIDOS CON AIREACIÓN (Correlaciones empíricas)  Pg Log   Po

 Di   = −129    Dt  

4.38

 Di N i   .  µ/ρ    2

0.115

 Di N .  g

2 i

1.96 ( Di / Dt )

  

 Fg    3   NiDi 

 Pg   Di  0.115 1.96 ( Di / Dt ) (Na ) Log   = −129   .(Re i ) .(Fr )  Dt   Po  Para impulsor tipo: six – flat blade turines Donde: 4.38

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)

(Correlaciones: Paulin Doran, página 159, Katoh - Yoshida, página 115,

 Fg = 0.10  Po  Ni V

Pg

  

−0.25

 N i Di   .  g W V 2/3  i   2

4

−0.20

Fg: Caudal volumétrico del gas (m³/s)

V: Volumen del líquido (Mosto)

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

Di: Diámetro del impulsor (m)

Wi: Ancho de la paleta del rodete (m)

Ni: Velocidad del agitador (cps)

(Para impulsor flat-blade turbine) (deviación media de la ecuación: 12%)

Para las condiciones de Na : 0 – 12 * 103 Pg/Po: 0.3 - 1,0

np: Número de paletas

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

GRÁFICO Na vs Pg/Po - Flat –blade turbine

VELOCIDAD DE FLUJO DE AIRE 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.

vvm =

Faire N A ⋅ 22.4 ⋅ T = Vliquido 1000 ⋅ 0.21 ⋅ E ⋅ π ⋅ 273 ⋅ 60

NA: en [milimoles O2/ h l] T: en [K] π : Presión [atm] Generalmente - A nivel laboratorio - A nivel Industrial

aireación = 1.5 vvm 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.

Fg = vs ⋅ At vS =

Fg At

vS =

Fg

π .Dt2 4

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

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:

( P) n = n( P1 )

•

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

•

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

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

Impulsores para fluidos poco viscosos

Hélice Pitch = 1,5

Palas inclinadas W=D/5; ángulo=45º

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

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

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 10 6

5

3 − 3 × 10

2

101 − 2 × 10 3

> 10

3

10 100 1000 104 cPs

10

5

10

4

10

Extrusor Moinho 5-30 rpm de rolos Âncora, Banda dupla helicoidal 5-60 rpm Pás 10-100 rpm Turbina 90-400 rpm

3

e lic

m)

1

101 102

103 102 101

10-1

rp

(3400 rpm) 10 Volume

Hélice (420 rpm)

0 15 (1

10

2

Hélice (1750 rpm)

Pa.s

100

Hé

Viscosidade

10

6

105 litros

103

104

10-2 105 m3