Escalado de Biorreactores

Consideraciones para el escalamiento de biorreactores

Enrique Mammarella

e-mail: [email protected]

Bioprocesos Corazón del proceso, modifica sustancialmente el costo de las otras etapas

Materias primas

Postratamiento

Pretratamiento Upstream

REACTOR

Reciclo

Downstream

Productos

Biorreactor / Fermentador La

función

principal

de

un

biorreactor-

fermentador, es la de proporcionar un medio ambiente controlado que permita el crecimiento

eficaz de las células y la máxima formación del producto deseado, en el menor tiempo posible y

con mínimo costo.

Bioprocesos aeróbicos • La mayor parte de los industriales son aeróbicos.

bioprocesos

• El oxígeno es un factor clave para el crecimiento de los microorganismos. • La velocidad de transferencia de oxígeno puede controlar la velocidad global de un bioproceso.

Reactores más utilizados en bioprocesos aeróbicos

Reactor tanque agitado Stirred tank reactor

Columna de burbujeo Bubble column

Reactor de transporte por aire Air lift column

Parámetros que afectan la velocidad de transferencia de oxígeno • Las propiedades físicas del sistema. • Las propiedades bioquímicas del sistema. • Los parámetros geométricos del biorreactor (tipo y tamaño del biorreactor, tipo y número de agitadores, etc.).

• Las condiciones operacionales (caudal de aireación, velocidad de agitación, etc.).

Parámetros que afectan la velocidad de transferencia de oxígeno Los dos primeros grupos están determinados por la naturaleza del sistema y no pueden ser modificados libremente. Los últimos dos grupos dependen de los parámetros operativos del proceso y de los dispositivos utilizados.

Pasos para el escalamiento de biorreactores • Parámetros geométricos escalamiento

utilizados

para

el

– Reactor tanque agitado Diámetro del tanque, altura útil del tanque, diámetro del agitador

– Columna de burbujeo Altura, diámetro

• Criterios utilizados para determinar los parámetros operacionales en el escalamiento – Reactor tanque agitado Velocidad de agitación, caudal de aireación, etc.

– Columna de burbujeo Caudal de aireación, etc.

Bioprocesos aeróbicos en reactores tanque agitados

Bioprocesos aeróbicos en reactores tanque agitados Para escalar un bioproceso necesitamos, entre otros

factores,

garantizar

geométrica del biorreactor.

la

similaridad

Bioprocesos aeróbicos en reactores tanque agitados Por esto, generalmente, los reactores han sido normalizados,

relacionando

todas

sus

dimensiones con respecto a una sola que se toma como medida característica del equipo.

Bioprocesos aeróbicos en reactores tanque agitados La dimensión característica que se elige es el diámetro del agitador Di.

A esas relaciones se las denomina factores de forma.

Estos factores de forma son adimensionales.

Correlaciones geométricas de un reactor tanque agitado

J

H L W E

Di D

Así: S1 = D / Di S2 = E / Di S3 = L / Di S 4 = W / Di S5 = J / Di etc.

Agitación en un reactor tanque Agitación: consiste en producir movimientos irregulares, turbulentos, en un fluido por medio de dispositivos mecánicos.

Mezclado: es la distribución al azar de dos fases inicialmente separadas tratando de lograr una cierta uniformidad en el producto final.

Agitación de un reactor tanque En la agitación existen tres tipos de flujos: radial, axial y tangencial.

radial

axial

tangencial

Agitación de un reactor tanque El flujo radial y el flujo axial producen

mezclado; mientras que el flujo tangencial no, todo el conjunto gira sin mezclarse

produciendo un efecto de vórtice, es un flujo no deseable que se trata de evitar.

Agitación de un reactor tanque El tipo de flujo depende de las características

del fluido, del agitador, de la presencia o no de bafles, de la instalación del agitador, etc..

Agitadores Hélice: Produce flujo axial y se utiliza

con

líquidos

poco

viscosos (hasta 1000 cpoise) y puede girar hasta 1500 rpm. El diámetro del agitador es

pequeño

respecto

al

del

tanque (entre el 3 y el 10%).

Agitadores Se caracteriza por el número de palas y el paso (L/Di = paso). L: es la distancia que recorre el fluido en una vuelta y Di: es el diámetro del agitador. Los pasos más comunes son = 1 y se llaman cuadrados.

Agitadores Paleta: Ocupa casi todo el diámetro del tanque (entre el 50 y 80%); lo que hace que el flujo sea principalmente tangencial y una mínima parte sea radial. La velocidad de giro es pequeña (hasta 150 rpm) y la viscosidad máxima es de 10000 cpoise. El mezclado que produce es pobre. Una variante es de tipo ancla y se usa cuando hay calefacción.

Agitadores Turbina: Se diferencia del anterior por tener palas de menor diámetro y en mayor número (en general 6 palas y el diámetro oscila entre el 30 y 60% del diámetro del tanque). Produce flujo radial y tangencial.

Agitadores Para minimizar el flujo tangencial se puede: colocar bafles (convierte el flujo tangencial en radial)

Agitadores descentrar el agitador (convierte el flujo tangencial en axial y radial)

Agitadores colocar anillos difusores (convierte el flujo tangencial en axial)

Agitadores Otro aspecto importante es el grado de agitación requerido,

que puede ser suave, medio, fuerte o violento, y que sirve para determinar el tamaño y el número de revoluciones del agitador y consecuentemente, la potencia necesaria.

Requerimientos de potencia de agitación Nivel de agitación Bajo Moderado

Alto Muy alto

P/V en kW/m3 (hp/1000 gal) 0,2-0,6 (1-3) 0,6-1 (3-5) 1-4 (5-20) >4 (>20)

Factores a tener en cuenta para la adopción del sistema de agitación

Escalamiento de biorreactores Los métodos de escalamiento intentan reproducir a escala industrial, las mismas condiciones óptimas encontradas en la escala piloto o laboratorio. En general, esto no es sencillo debido a que la relación área/volumen cambia con la escala y las condiciones de mezclado también se alteran.

Escalamiento de biorreactores Los problemas más comunes asociados al escalamiento son: cambios en la temperatura y/o pH, en el coeficiente de transferencia de masa y/o calor, en la relación área de transferencia calórica / volumen del

reactor que alteran el intercambio calórico, pudiendo inducir situaciones peligrosas para la integridad del

sistema.

Criterios de escalamiento • Mantener constante el consumo de potencia por unidad de volumen (P/V) • Mantener constante el Número de Reynolds (Re) • Mantener constante la velocidad a la salida del agitador (esfuerzo de corte constante) (ND) • Mantener constante el coeficiente volumétrico de transferencia de masa (kLa)

• Mantener constante la concentración de oxígeno disuelto (CO2)

Criterios de escalamiento P/V (30%) Kla (30%) пND(20%) O2 con. (20%)

Incidencia de cada criterio en la industria fermentativa (García & Gomez, 2009)

Escalamiento a potencia constante El número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Dimensión característica del sistema donde está el fluido Densidad del fluido

Dρv Re  μ

Velocidad característica del fluido en el sistema Viscosidad del fluido

Escalamiento a potencia constante Para tener un parámetro de control que nos sirva en cualquier condición de agitación, nos conviene utilizar como dimensión característica el diámetro del agitador y como velocidad característica, la

velocidad tangencial en la superficie externa del agitador ( N Di).

Obtenemos así un número de Reynolds modificado:

Di ρ N  μ 2

Re mod

Escalamiento a potencia constante Para sistemas sin aireación podemos relacionar directamente la potencia entregada en la agitación, en función del número de potencia y de las fuerzas inerciales del sistema:

P = NP ρ N Di 3

5

Escalamiento a potencia constante En la bibliografía encontramos curvas del número de potencia vs. número de Reynolds modificado, para distintos agitadores y distintos factores de forma que pueden emplearse para determinar la potencia

Np

Escalamiento a potencia constante Para sistemas con aireación podemos estimar la potencia entregada en la agitación a través de la correlación propuesta por Michel y Miller (1962) :

 P N Di  Pg = m   0,56  Q  2

3

0,45

caudal de aireación (m3/s) constante que depende del agitador (vale 0,832 para turbina Rushton)

Escalamiento a potencia constante Reemplazando convenientemente:

Escalamiento a potencia constante Manteniendo la relación P/V = cte:

Escalamiento a Re constante Di ρ N  μ 2

Re mod

Di1 2 N1  Di2 2 N 2

 Di1 N 2  N1   Di  2

  

2

Escalamiento a velocidad tangencial constante

v1 = v 2  N1 Di1=  N2 Di2  Di1 N 2  N1   Di  2

  

2

Escalamiento a kla constante

Escalamiento a kla constante Q (L/min) Formación de espuma Qmáx Elevados

Heterogeneidad

esfuerzos

de mezcla

de corte

Qmín Limitación de O2 y/o acumulación de CO2

Nmín

Nmáx

N (rpm)

Escalamiento a kla constante (Fluidos Newtonianos)

(García & Gomez, 2009)

Escalamiento a kla constante (Fluidos no Newtonianos)

(García & Gomez, 2009)

Comparación de criterios Valor en Variable escala lab. (V = 2 L) D P P/V N ND Re kla

1 1 1 1 1 1 1

Valor en escala piloto (V = 20 L) Criterio de escalamiento P/V = cte ND = cte Re = cte kla = cte 2,14 10,00 1,00 0,60 1,28 2,75 0,77

2,14 4,80 0,48 0,47 1,00 2,15 0,55

2,14 0,50 0,05 0,22 0,47 1,00 0,19

2,14 13,80 1,38 0,67 1,43 3,07 1,00

Escalamiento de biorreactores con múltiples agitadores Cuando la relación H/D es mayor que 1,2 – 1,5 se emplean múltiples agitadores. El número de potencia y la potencia entregada por dos agitadores montados sobre el mismo eje y espaciado a una distancia S no son usualmente los mismos que los de un agitador individual.

Para grandes valores de S, el Npdoble  2 Npsimple

Escalamiento de biorreactores con múltiples agitadores

3

H

2 H

1

S D T

Double DT System

Cb2

Cb1

2

S23

S13 1

S12 D T

Triple DT System

Cb2 Cb1

Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo

Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo En este caso, además de garantizar la similaridad

geométrica

del

biorreactor,

tenemos que extender este concepto al sistema de aireación/agitación.

Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo

Aireadores estáticos

Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo

Aireadores dinámicos

Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo Cuando inyectamos aire en el reactor, las burbujas ascendentes arrastran el líquido en su estela. Como regla general, este flujo ascendente de

líquido es mucho mayor que el caudal de líquido neto.

Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo Debido a la continuidad del sistema, existen, por lo

tanto, regiones en las que el

líquido

se

mueve

predominantemente hacia abajo.

Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo