PRACTICA 3 KLa JEANY

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA Laboratorio de Ingeniería en Biorreactores

Práctica 3: Obtención de kLa Jeany Liliana Rosas Villicaña

PRACTICA 3 OBTENCIÓN DEL COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO k La Jeany Liliana Rosas Villicaña

1. INTRODUCCIÓN Dentro de los fenómenos de transporte estudiados en los biorreactores, uno de los más importantes es el proceso de aireación, ya que en muchos de los casos, es el factor limitante de los procesos, y nos puede originar que el proceso sea excesivamente costoso energéticamente hablando o simplemente que no crezca el microorganismo, de ahí la importancia de la determinación de los parámetros de aireación, existen innumerables procesos donde se requiere la aireación como en la producción de ácido cítrico, producción de antibióticos producidos por hongos, producción de vinagre, en el tratamiento de aguas residuales por mencionar algunos. La velocidad de transferencia de masa de O2 desde el seno de la fase gaseosa (burbujas) hasta la fase líquida (medio líquido) está determinada por la siguiente ecuación:

En la cual los parámetros y son la concentración de O2 en la interfase gaseosa (dada por la Ley de Henry) y la concentración de O2 en el seno del líquido, respectivamente y son relativamente sencillos de calcular. Integrando, despejando y con datos experimentales se puede llegar a un valor de . “El kLa y por lo tanto el grado de transferencia de oxígeno desde el seno del líquido hasta las células o microorganismos en cultivo, dependen del diseño del biorreactor y de las condiciones de operación del sistema de cultivo: caudal de aire, volumen del líquido, régimen de agitación, área de transferencia y viscosidad del cultivo. En general, disminuyen el kLa: la viscosidad y el volumen del líquido y aumentan el kLa: el área de transferencia, la agitación y la presencia de dispositivos que aumenten una, la otra, o ambas.”1

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2. OBJETIVO Obtención del coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno ( kLa ).

3. MATERIALES Y METODOLOGÍA Se hirvió agua suficiente un recipiente metálico, en cuatro matraces Erlenmeyer se vertieron 150 mL del agua hervida tapando la boca del matraz. En seguida se enfrían los cuatro matraces sumergiéndolos en agua fría y se esperó el tiempo suficiente para que llegaran a una temperatura de 30 °C, la cual fue medida con un termómetro. En el momento en que se alcanzó dicha temperatura, el agua se vacio al prototipo de biorreactor y en seguida se someto a mezclado y aireación, sumergiendo una manguera de plástico transparente con piedra difusora para pecera. Se mantuvo un flujo de aire constante mediante el uso de un compresor. El agua ya en el biorreactor fue sometida a un tiempo de aireación de 0, 10, 20 y 40 minutos. Transcurrido el tiempo correspondiente, se adicionó 1 mL de sulfato manganoso (MnSO4), y se agitó muy suavemente, adicionando después 1 mL de yoduro de potasio e hidróxido de sodio en solución (KI/NaOH). En este momento el matraz se agitó vigorosamente por unos instantes, y en seguida se observó la formación de núcleos anaranjados de hidróxido manganoso; se espera a que el precipitado alcance una altura de 2 a 3 cm, y se re suspendió con 1 mL de ácido sulfúrico. Se tomó una bureta de 50 mL en un matraz erlenmeyer de 100 mL. Previamente se colocó 20 mL de tiosulfato de sodio (Na2S4O6) 0.01 N en una bureta. Se agregaron dos gotas del tiosulfato en la bureta a la bureta, y se mide el volumen gastado v1. Se agregan dos gotas de indicador de almidón y se continuó con la titulación con el tiosulfato de sodio de la bureta, midiendo ahora un volumen v2. La suma de es el volumen total gastado de tiosulfato. Posteriormente, con los valores obtenidos se calculó la concentración de oxígeno en los matraces, aplicando la siguiente ecuación:

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Donde: Vt: Volumen gastado de tiosulfato de sodio. Nt: Normalidad del tiosulfato. Vm: Volumen de la muestra.

Para calcular la concentración de oxígeno disuelto, se aplicó la siguiente ecuación: (

)

Donde: PMo2: Peso molecular del O2 (g/mol)

4. RESULTADOS En relación a la formación del precipitado, los núcleos aparecieron más rápido en la tercera medición (20 min) y en la última (40 min) comparación con las otras mediciones (1 y 2). El volumen de tiosulfato de sodio empleado en las titulaciones también fue incrementando proporcionalmente al tiempo de aireación, registrándose el mayor volumen Vt en el matraz sometido a 40 minutos de aireación. El matraz 1, que no fue aireado, mostró formación de precipitado, lo cual es un indicador de presencia de oxígeno disuelto.

TABLA 1. DATOS OBTENIDOS EN EL EXPERIMENTO T (min)

t (h)

Vt (mL)

Nt (eq/L)

Vm (mL)

DO (mol/L)

CL (g/L)

0

0

0.6

0.1

50

3 x 10-04

0.00144

50

4 x 10

-04

0.00192

5 x 10

-04

0.00208

10

0.1667

0.8

0.1

20

0.3333

1.0

0.1

50

40

0.6667

1.9

0.1

50

9.5 x 10-04

0.0024

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Posteriormente, para determinar kLa se despeja CL se introdujeron la ecuación en LAB Fit para optimizar el parámetro kLa., se analizaron los datos con el programa LabFit mediante una regresión no lineal para obtener el valor de kLa. Fig1.

Donde C*L es la concentración de oxígeno en el equilibrio, en el aire y a 30°C, obtenida de la ley de Henry: 0.00779 g/L, y t es el tiempo.

Figura 1.

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Mediante el uso de este programa, se obtuvo un valor promedio de kLa de A=0.1258790584660E-01 h-1 para los datos experimentales.

Así mismo, la concentración de oxígeno fue muy similar en la segunda y tercera medición, pequeña con una diferencia

5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS El agua se hierve para tratar de extraer la mayor cantidad de aire del medio líquido ya que según enuncia la Ley de Henry, la concentración de un líquido es proporción a la presión ejercida por este gas sobre el líquido, es inversamente proporcional a la temperatura, es decir, a mayor temperatura menor cantidad de oxígeno en el matraz. La temperatura de referencia fue de 30 °C, a la cual le corresponde una constante de Henry de 37.1. Para la determinación de oxígeno disuelto (OD) se siguió el método Winkler, que se basa en determinar la cantidad de mg/l de Oxígeno Disuelto (OD) a través de una reacción química. Una solución de manganeso se añade a la muestra que se va a analizar. Después de tratarla con una base de yoduro, el manganeso reacciona con el oxígeno para formar un

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compuesto estable de manganeso y oxígeno (el precipitado que se forma). Luego se trata la solución con ácido, que disuelve el compuesto de oxígeno y manganeso y forma una cantidad proporcional de yodo libre (proporcional al oxígeno disuelto original). Luego se determina la cantidad de yoduro en la solución. Para esto se titula con una solución estandarizada de tiosulfato hasta que todo el yodo libre (I2) es cambiado a yoduro (I-). El almidón se torna púrpura en presencia de yodo pero es incoloro en contacto con yoduro. El almidón es el indicador de que todo el yodo se convirtió en yoduro. La cantidad de tiosulfato usado en la titulación es proporcional al yoduro, que es proporcional al OD. EL OD se calcula, pues, determinando la cantidad de tiosulfato utilizado. MnSO4 (ac) + 2 NaOH (ac) ->Mn(OH)2 (s) + Na2SO4 (ac) precipitado color blanco 4 Mn(OH)2 (s) + O2 (ac) + 2 H2O -> 4 Mn(OH)3 (s) precipitado color carmelita 2 Mn(OH)3 + 6 I- + 6 H+ ->1 I3- + 6 H2O + 2 Mn+2 I3- + 2 (S2O3)-2 -> 3 I- + (S4O6)-2 Los mL gastados en la titulación son proporcionales a la concentración de O2 disuelto, mientras más oxígeno disuelto tengamos, más precipitado se nos hubiera formado y se hubiera gastado más tiosulfato para titular. Cabe señalar que el ácido puede afectar directamente el indicador de almidón, entonces el tiosulfato de sodio cambia las condiciones para evitar un falseo en la titulación y las gotas de tiosulfato de sodio previas al indicador de almidón también son contabilizadas en el volumen final. En teoría la gráfica nos debería de dar una curva, donde cuando el tiempo tiende a infinito, la concentración de oxígeno disuelto tiende a ser constante, es decir aumenta muy poco, probablemente sean necesarios más datos experimentales para visualizar este comportamiento. Aunque el agua se dejó hervir un tiempo considerable, no se logró eliminar todo el oxígeno del medio líquido, es por eso que la gráfica, empieza en con una concentración inicial de oxígeno diferente al origen, probablemente también a que durante la manipulación del matraz y la agitación leve, se halla disuelto parte del oxígeno presente en el medio ambiente de nuevo al medio líquido, y al bajar la temperatura a 30 ºC la capacidad de disolver más gas aumentó.

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6. CONCLUSIONES En los resultados vemos que la concentración de oxígeno a los 40 min casi duplicó la concentración del agua recién hervida y sin airear al tiempo 0. Sin embargo, es notorio que el incremento no es proporcional al tiempo de aireación, es decir, si el tiempo se duplica, la concentración de oxígeno no se duplica. El coeficiente de transferencia de masa depende directamente de las propiedades del sistema, como son la temperatura y la composición del medio. Tras lo observado en los resultados, la transferencia de masa de oxígeno molecular en agua no es significativa al aumentar los tiempos de aireación; en esta práctica, únicamente la aireación fue en agua, sin embargo, hay que considerar que en reactores donde exista la presencia de microorganismos y la composición del medio sea diferente, el coeficiente de transferencia de masa se verá modificado y deberá tomarse muy en cuenta, así como realizar análisis experimentales, puesto que definirá la velocidad con la que el oxígeno difunde y, al trabajar con microorganismos, habrá que satisfacer el consumo de oxígeno de los microorganismos (en caso de que éstos sean aerobios o anaerobios facultativos). Se cumplió satisfactoriamente con el objetivo de la práctica ya que nos fue posible obtener el valor del coeficiente de transferencia de masa volumétrico kLa de A=0.1258790584660E-01 h-1, mediante una regresión no lineal, mediante el algoritmo de Levenberg-Marquardt. En esta práctica queda demostrado que el cálculo de kLa es relativamente sencillo y rápido de calcular experimentalmente, el cual es de suma importancia en muchos procesos donde la principal limitante es la aireación.

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7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y REFERENNCIAS ELECTRONICAS.

1

Anónimo, Biorreactor, consultado en línea:

http://es.wikipedia.org/wiki/Biorreactor

3/06/11

2

Christie J. Geankoplis – 2003, Procesos De Transporte Y Operaciones Unitarias 1026 páginas 3

Universidad Nacional de Colombia, Introducción a la Ingeniería Bioquímica, fuente de internet: http://books.google.com.mx/books?id=O7Agojvd9PIC&pg=PA118&dq=coeficiente+de+tr ansferencia+de+oxigeno&hl=es&ei=QdH2TPLuH8p8AbS5ZD0Bg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=4&ved=0CDoQ6AEwAw#v= onepage&q=coeficiente%20de%20transferencia%20de%20oxigeno&f=false 3/06/11 4

Silva, W.P. and Silva, C.M.D.P.S., LAB Fit Curve Fitting Software (Nonlinear Regression and Treatment of Data Program) V 7.2.48 (1999-2011), en línea, disponible en el sitio de acceso público: www.labfit.net . 3/06/11 5

Manual Teórico de la Universidad de Puerto Rico, Recinto Universitario de Mayaguez.

http://www.uprm.edu/biology/profs/massol/manual/p3-oxigeno.pdf

3/06/11