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DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO (KLa) EN UN CALDO DE FERMENTACIÓN DE GLUCOSA, MEDIANTE EL MÉTODO DINÁMICO DE DESGASIFICACIÓN. EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE OXYGEN TRANSFER VOLUMETRIC COEFFICIENT (KLa) IN A GLUCOSE FERMENTATION STOCK, THROUGH THE DYNAMIC DEGASIFICATION

METHOD. M. Aguilar Navarro*, C. Castro-Peroza*, D. Gómez-Pérez, L. Herrera-Alean*, C. Serpa Jiménez* Departamento de Ingeniería Agroindustrial Bioingeniería ll UNISUCRE- Universidad de Sucre, Sincelejo-Sucre- 29-mayo-2020

Resumen: El presente estudio, tiene como objetivo la evaluación y análisis del fenómeno de trasferencia de oxígeno para un cultivo de levadura (𝑆𝑎𝑐𝑐ℎ𝑎𝑟𝑜𝑚𝑦𝑐𝑒𝑠 𝐶𝑒𝑟𝑒𝑣𝑖𝑠𝑖𝑎𝑒) sumergida en un caldo fermentativo de glucosa con variaciones en la velocidad de agitación, mediante la implementación del método dinámico de desgasificación. Para obtener dicho valor se procedió a inocular en un 10% del volumen de fermentación un preinóculo. La inoculación se realizó en un fermentador de 1L y se tomó una lectura inicial de la concentración de oxígeno disuelto en el sistema antes de iniciar la aireación, realizado esto, se esperó 10 minuto para estabilizar el sistema en cuanto a la concentración de oxígeno disuelto, inmediatamente se realizó una oxigenación y se procedió a medir cada 10 segundos durante un periodo de 10 minutos continuos, alcanzado este tiempo se hizo una desoxigenación, y por último se reoxígeno hasta alcanzar la concentración igual a la correspondiente al tiempo cero. Los kLa obtenidos para 150, 300 y 450 rpm fueron: 0.0397, 0.0463 y 0.0252 respectivamente, posteriormente se realizó un analisis de varianza en el cual se determinó que a una velocidad de 300rpm, se obtuvo el mejor kLa. Palabras claves: Aireación, coeficiente de transferencia de oxígeno, velocidad de agitación, levadura. Abstract: The objective of the present study is to evaluate and analyze the oxygen transfer phenomenon for a yeast culture (Saccharomyces Cerevisiae) immersed in a fermentative glucose broth with variations in stirring speed, through the implementation of the dynamic method of degassing. To obtain this value, a preinoculum was inoculated in 10% of the fermentation volume. The inoculation was carried out in a 1L fermenter and an initial reading of the concentration of dissolved oxygen in the system was taken before starting the aeration. After doing this, it was waited 10 minutes to stabilize the system regarding the concentration of dissolved oxygen, Immediately, oxygenation was performed and measurement was carried out every 10 seconds over a period of 10 continuous minutes. At this time, deoxygenation was carried out, and finally, it was reoxygenated until reaching the concentration equal to that corresponding to time zero. The kLa obtained for 150, 300 and 450 rpm were: 0.0397, 0.0463 and 0.0252 respectively, subsequently an analysis of variance was performed in which it was determined that at a speed of 300rpm, the best kLa was obtained.

Keywords: Aeration, oxygen transfer coefficient, stirring speed, yeast

1 *Estudiantes del Programa Ingeniería Agroindustrial. Facultad de Ingeniería. Universidad de Sucre, Sincelejo, Sucre .

1. INTRODUCCIÓN Cuando se diseñan biorreactores para el

intervienen sobre la hidrodinámica de éste,

cultivo de microorganismos aerobios con

como: las propiedades físicas tanto del

demandas

las

medio de cultivo como del gas utilizado

principales limitaciones que se presentan

para aportar el oxígeno, los parámetros

en estos casos, está asociada a la

geométricos

transferencia de este sustrato al medio de

condiciones de operación a las que se

cultivo Duarte, E. et al. (2013). La

desarrolla el proceso y el tipo de

trasferencia de oxigeno es de suma

microorganismo cultivado (Duarte, 2013).

importancia en el crecimiento de los

En un biorreactor se desea un alto

microorganismos aerobios y es variable

rendimiento

fundamental para el escalado y la

productividad,

economía de los sistemas de biosíntesis

reproducibilidad

aerobia por cuanto este valor determinará

fermentación deseado (Nielsen, J et al.

la productividad del sistema. (Erazo, E. et

2002).

al. 2001).

En estudios realizados por Duarte, E. et al.

El oxígeno disuelto es un nutriente

(2013), señalan que la característica

limitante en cultivos con demanda de

general de los problemas de transferencia

oxígeno, esto puede deberse a la velocidad

de masa en un sistema fermentativo es que

de crecimiento del microorganismo, a una

el oxígeno pasa desde una fase a otra en la

alta producción de biomasa o a que las

cual se encuentra el microorganismo. Las

propiedades reológicas de los medios de

distintas

cultivo

fenómeno son:

de

oxígeno,

ofrezcan

una

resistencia

de

a

la

del

de

biorreactor,

producto, así

etapas

una

alta

una

alta

proceso

de

como del

las

presentes

en

este

transferencia de masa Erazo, E. et al.

• Transporte del oxígeno desde la fase

(2001). Por consiguiente el producto del

gaseosa hacía la interfase gas-líquido.

coeficiente de transferencia de oxigeno

• Difusión del oxígeno a través de la

representa un índice de la capacidad de

interfase gas-líquido.

aireación de un biorreactor por lo tanto en

• Transporte del oxígeno a través de la fase

el biorreactor, la transferencia de oxígeno

líquida

está afectada por diferentes factores que

microorganismo.

hasta

las

vecindades

del

2

• Difusión del oxígeno en la interfase

7H2 O), 0,5g de sulfato de

líquidosólido (célula).

amonio [(NH)4 SO4]. Posteriormente se

• Difusión intrapartícula (intracelular).

llevó la muestra a un autoclave por 15

• Reacción bioquímica intracelular.

minutos a una temperatura de 121°C,

En

consecuencia,

el

diseño

y

las

luego

se

adicionó

13,33g

de

condiciones de operación del biorreactor

Saccharomyces cerevisiae y se ajustó el

deben

los

pH a 5.5, luego de esto, se sometió el

el

inóculo a agitación durante 18-24 horas a

ser

tal

requerimientos

que de

satisfacen

oxígeno

por

microorganismo (Duarte, E. et al. 2013).

una temperatura d 28-30°C.

Por cosiguiente, el objetivo de este estudio es determinar y evaluar el coeficiente de

2.2 Inoculación

transferencia de oxigeno, por un caldo de

Más tarde se procedió a inocular en un

fermentacion

10% del volumen de fermentación el

con variaciones

en la

velocidad de agitacion.

preinóculo de levadura en el fermentador de 1L, que contiene

el

caldo

de

2. METODOLOGÍA

fermentación. Una vez realizado este paso,

Esta investigación se llevó a cabo en la

se realizó un arreglo a los accesorios del

Planta Piloto de Operaciones Unitarias de

fermentador y se tomó la lectura del

la Universidad de Sucre, sede Puerta

oxígeno disponible con el sistema agitado.

Verde - vía Sampués. En primer lugar es importante tener en

2.3 Suministro de aire

cuenta que para la determinación del

Luego de haber realizado la lectura del

coeficiente volumétrico de transferencia

oxígeno disponible, se suministró la mayor

de oxígeno, se utilizaron 3 velocidades de

cantidad de aire posible (1-2-vvm),

agitación diferentes: 70, 210 y 350 rpm.

posteriormente se esperó que el sistema se estabilizara en cuanto a la concentración

2.1 Preparación del preinóculo

de oxígeno disuelto, aproximadamente

Posteriormente se procedió a mezclar 25g

10min.

de glucosa, 1h de fosfato de potasio

2.4 Medición del Oxígeno

monobásico (KH2SO4), 0,5g de sulfato de

Desde un tiempo 0 se empezó a medir cada

(MgSO4 ·

10 segundos el oxígeno disuelto durante

Magnesio

heptahidratado

3

10 minutos continuos. Luego se suspendió el suministro de aire y se continuó

𝑲𝑳𝒂

midiendo la misma variable cada 5

̅̅̅̅ 𝐶𝐴𝐿 − 𝐶𝐴𝐿1 𝐿𝑛(̅̅̅̅ ) 𝐶𝐴𝐿 − 𝐶𝐴𝐿2 = (𝑡2 − 𝑡1 )

segundos hasta alcanzar una concentración de oxígeno disuelto similar a la inicial, es 3. RESULTADOS

decir cuando el sistema no era aireado.

2.5 Reinicio de la Aireación

Día 1, Tratamiento 1

Posteriormente se realizó un reinicio de la

D Agitador

3 cm

aireación, inmediatamente se iba anotando

D Difusor

3 mm

cada 5 segundos la concentración de

D Tanque

8,5 cm

Vol Tanque

300 ml

pH

5,52

Flujo de aire

1,2 L/min

rpm

150 min-1

VVM

4 min-1

oxígeno

disuelto

hasta

alcanzar

la

concentración del tiempo cero.

2.6

Cálculo

del

coeficiente

de

transferencia de oxigeno (𝑲𝑳𝒂 ) Tabla 1: Condiciones de trabajo de la investigación a 150 rpm día.

Para calcular los kLa, se empleó el método dinámico, el cual se representa por medio de la siguiente ecuación.

[O2] mg/L

[O2] mg/L vs Tiempo a 150 rpm 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

y = -0,0018x + 6,8964 R² = 0,9034

Oxigenación Desoxigenacion Reoxigenación Lineal (Desoxigenacion)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Tiempo (s) Grafico 1: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 150 rpm día.

4

Día 1, Tratamiento 2 Diámetro del difusor

3mm

Diámetro del agitador

3cm

Volumen del liquido

300ml

[O2] inicial

0,0 mg/L

densidad del liquido

979,16 kg/m^3

T aire

25°C

pH

5,59

Velocidad de agitación

300 rpm

flujo de aire

0,54 L/min

VVM

1,79 min-1

Tabla 2: Condiciones de trabajo de la investigación a 300 rpm día 1.

[O2] mg/L

[O2] mg/L vs Tiempo a 300 rpm 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

y = -0,0008x + 1,1581 R² = 0,8957

Oxigenación Desoxigenación Reoxigenación Lineal (Desoxigenación)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Tiempo (s)

Grafico 2: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 300 rpm. (Ajustada) día 1.

Día 1, Tratamiento 3 D Agitador

3 cm

D Difusor

3 mm

D Tanque

8,5 cm

Vol Tanque

300 ml

pH

5,52

Flujo de aire

1,2 L/min

rpm

450 min-1

VVM

4 min-1

Tabla 1: Condiciones de trabajo de la investigación a 450 rpm día 1.

5

[O2] mg/L vs Tiempo a 450 rpm 3,5 3 Oxigenacion

[O2] mg/L

2,5

Desoxigenación

2 1,5

Reoxigenación

y = -0,0001x + 0,4753 R² = 0,8695

1

Lineal (Desoxigenación)

0,5 0 -0,5

0

1000

2000

3000

4000

5000

Tiempo (s) Grafico 3: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 450 rpm. (Ajustada) día 1.

Día 2, Tratamiento 1 D Agitador

3 cm

D Difusor

3 mm

D Tanque

8,5 cm

Vol Tanque

300 ml

pH

5.52

Flujo de aire

0,43 L/min

rpm

150 min-1

VVM

1,43 min-1

Tabla 4: Condiciones de trabajo de la investigación a 150 rpm día 2.

[O2] mg/L vs Tiempo a 150 rpm 10 Oxigenación

[O2] mg/L

8 6

Desoxigenación

y = -0,0022x + 4,2394 R² = 0,8889

4

Reoxigenación

2 0 -2

0

500

1000

1500

2000

Tiempo (s)

2500

3000

Lineal (Desoxigenación)

Grafico 4: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 150 rpm. (Ajustada) día 2.

6

Día 2, Tratamiento 2 3 cm D Agitador D Difusor

3 mm

D Tanque

8,5 cm

Vol Tanque

300 ml

pH

5,52

Flujo de aire

0,43 L/min

rpm

300 min-1

VVM

1,43 min-1

Tabla 5. Condiciones de trabajo de la Investigación a 300 rpm día 2.

[O2] mg/L vs Tiempo a 300 rpm 8 7 6

[O2] mg/L

5

Oxigenación

4 3

Desoxinación

y = -0,0014x + 3,1638 R² = 0,8511

2

Reoxigenación Lineal (Desoxinación)

1 0 -1 0

1000

2000

3000

4000

Tiempo (s) Grafico 5: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 300 rpm. (Ajustada) día 2.

Día 2, Tratamiento 3 D Agitador

3 cm

D Difusor

3 mm

D Tanque

8,5 cm

Vol Tanque

300 ml

pH

5,52

Flujo de aire

0,43 L/min

rpm

450 min-1

VVM

1,43 min-1

Tabla 6: Condiciones de trabajo de la investigación a 450 rpm día 2.

7

[O2] mg/L

[O2] mg/L vs Tiempo a 450 rpm 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 0

Oxigenación y = -0,0005x + 0,6546 R² = 0,8579

Desoxigenación Reoxigenación Lineal (Desoxigenación)

500

1000

1500

2000

Tiempo (s)

Grafico 6: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 450 rpm. (Ajustada) día 2.

Día 3, Tratamiento 1

[O2] mg/L vs Tiempo a 150 rpm 6 5

[O2] mg/L

4 Oxigenación

3

y = -0,0004x + 0,5564 R² = 0,5922

2

Desoxigenación Reoxigenación

1

Lineal (Desoxigenación)

0 0 -1

500

1000

1500

2000

2500

Tiempo (s) Tabla 7: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 150 rpm. (Ajustada) día 3.

8

Día 3, Tratamiento 2 D Agitador

3 cm

D Difusor

3 mm

D Tanque

8,5 cm

Vol. Tanque

300 ml

pH

5,52

Flujo de aire

1,63 L/min

rpm

300 min-1

VVM

5,43*10^-3 min-1

Tabla 8: Condiciones de trabajo de la investigación a 300 rpm día 3

[O2] mg/L vs Tiempo a 300 rpm 7 6

[O2] mg/L

5 Oxigenación

4

Desoxigenación

y = -0,0002x + 0,3648 R² = 0,7016

3 2

Reoxigenación

1 0 -1 0

Lineal (Desoxigenación) 500

1000

1500

2000

2500

Tiempo (s)

Grafico 8: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 300 rpm. (Ajustada) día 3

Día 3, Tratamiento 3 D Agitador

3 cm

D Difusor

3 mm

D Tanque

8,5 cm

Vol Tanque

300 ml

pH

5,52

Flujo de aire

1,63 L/min

rpm

450 min-1

VVM

5,43X10^-3 min-1

Tabla 9: Condiciones de trabajo de la investigación a 450 rpm día 3 .

9

[O2] mg/L vs Tiempo a 450 rpm 7 6

[O2] mg/L

5 4

Oxigenación Desoxigenación

3 y = -0,0002x + 0,3227 R² = 0,519

2

Reoxigenación Lineal (Desoxigenación)

1 0 -1

0

500

1000

1500

2000

Tiempo (s)

Grafico 9: [O2] en función del tiempo y velocidad de respiración de cultivo a 450 rpm. (Ajustada) día 3.

Dia1

150

Dia2

300

Dia3

450

Kl 0,0701 0,0454 0,0093 0,0833 0,013 0,0093 0,0054 0,2064 0,045

Promedio 0,0397

0,0463

0,0252

Tabla 10: Promedio de kLa hallados

En la tabla 15 se encuentra los kLa hallados, y las variables respectivas. (Anexos)

4. ANÁLISIS DE RESULTADO En la bibliografía de Doran (1998), indican que si se obtienen valores pequeños de kLa para un determinado

sistema, la capacidad del reactor para suministrar oxigeno es limitada, por consiguiente, se espera que durante los procesos de aireación los valores kLa sean

10

mayores. No obstante, se debe tener en

productividad

cuenta las variables que afectan ese

(Buitrago H. et al. 2013).

resultado, es decir, la velocidad de agitación, de ariacion y de flujo de aire.

del

cultivo

Por otro lado, algunos estudios también demuestran

que

muchas

veces

hay

Ahora bien, teniendo en cuenta lo anterior,

dificultad para predecir el KLa en

y analizando los resultados obtenidos (ver

biorreactores

tabla 10, es posible determinar entonces,

existentes, por lo tanto, se ha determinado

que

mayores

que para hallarlos se puede hacer de

corresponde a una velocidad de agitación

manera experimental, sin embargo esto

de 300 rpm.

refleja ciertos problemas en los resultados

los

kLa

con

valores

Buitrago H. et al. (2013). Reportó en sus estudios

que

un

aumento

de

la

concentración de biomasa debido al incremento en los niveles de aireación, indican que al mejorar las condiciones de oxigenación

se

incrementa

la

productividad del cultivo. Sin embargo esta teoría no se pudo comprobar, puesto que a pesar de que en este estudio, se trabajó con una velocidad de agitación mayor a 300rpm, lo cual en un inicio se esperaba que los valores de kLa obtenidos fueran mayores, no fue así, ya que como se mencionó

anteriormente

se

deben

considerar otras variables que influyen a la hora de trabajar con sistemas de aireación.

mediante

correlaciones

obtenidos, por lo que se recomienda que en cualquier método empleado para medir el kLa las condiciones de medida debe ser lo más similares posibles a las existentes en el fermentador durante la operación (Doran, 1998). 4.1 Análisis del método empleado: En diversos estudios emplean el método dinámico para la determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, tanto así que es posible decir, que es uno de los más utilizados; esto se debe

a

que

la

principal

ventaja

corresponde al bajo costo de los equipos analíticos necesarios, otro ventaja podría ser que la medición es independiente de la

Por lo tanto a partir de los kLa obtenidos,

solubilidad de oxígeno y se puede llevar a

teniendo solo en cuenta la velocidad de

cabo incluso si CAL es desconocida, sin

agitación, no es posible determinar qué

embargo este método a pesar de ser simple

valor de kLa proporciona una mejor

y fácil de realizar experimentalmente, 11

puede dar resultados muy inexactos salvo

consideró

los

siguientes

que se examinen y caractericen varios

variables: la aireación, la agitación y la

aspectos del sistema de medición (Doran,

viscosidad, obteniendo los siguientes kLa:

1998).

45,50 a 2,00vvm, L/L/mln, 80,90 a 800rpm y 13,90 a 200 µ,cP. Fournier,

5. DISCUSIÓNES.

(2014) empleó el método dinámico y Un promedio de los valores de kLa

consideró

obtenidos de acuerdo a la variación de la

agitación y aireación, obteniendo los

velocidad de agitación mediante el método

siguientes kLa: 9,225 a 250rpm-4Lpm y

dinámico y considerando variables como:

20,01 a 400rpm-8Lpm.

las

siguientes

variables:

velocidad de agitación, velocidad de flujo de aire y velocidad de aireación se observan en la tabla 10, los resultados indican que a una velocidad de 300rpm se obtiene un KLa mayor, que al utilizar una rpm de 450. Ahora bien, un gran número de autores utilizan diferentes métodos y consideran

diversas

variables

para

determinar el KLa, por ejemplo Buitrago H. et al. (2013) empleó dos métodos diferentes para hallar los kLa los cuales fueron: El método dinámico y cuando se emplea consideró

agua las

como

medio,

siguientes

además

Cabe resaltar que todos los autores anteriormente mencionados, llegaron a la conclusión de que los resultados obtenidos se ven afectados por la incidencia de la transferencia de oxígeno y por cambios en la agitación al compararlos con cambios en la aireación. 5.1 Análisis experimental. Dado lo anterior se propuso realizar un análisis de varianza (ANOVA), para poder determinar que variable permitía optimizar los niveles de aireación.

variables:

Agitación (rpm), Presión en el aireador externo (psi), Temperatura (°C) y flujo de gas medido en vvm, obteniendo los siguientes kLa: 20,16 a 0,5vvm-200rpm y 40,68 a 1vvm-300rpm. Erazo E., (2001)

Agitación (rmp) Repeteciones

Dia 1 Dia 2 Dia 3

150 0,0701 0,0833 0,0054

300 0,0454 0,013 0,206

450 0,0093 0,0093 0,045

Tabla 11: kLa obtenidos teniendo en cuenta la agitación.

empleó la técnica de eliminación de gas y

12

ANÁLISIS DE VARIANZA Origen de las variaciones

Suma cuadrados

Filas

de

Grados de libertad

Promedio de los cuadrados

F

Probabilidad

Valor crítico para F

0,000468723

1

0,00046872

2,374450678

0,36646653

161,447639

Columnas

0,000107123

1

0,00010712

0,542660301

0,59580671

161,447639

Error

0,000197403

1

0,0001974

Total

0,000773248

3

Tabla 12: Analisis de varianza considerando las velocidades de agitación.

Del ANOVA anterior se puede inferir que con un nivel de significancia del 0,5% se puede decir que el tratamiento que mejor se amolda al modelo es el segundo, (300rmp) ya que es el que mejor se adapta y tiene una mayor linealidad al momento de describirse los datos esto corroborado con un P de 0,297809638690646 y un F de 1,94532803897437. En apartados anteriores se había mencionado que para poder determinar que variables influyen de mejor manera en

los kLa, se deben considerar todas, por lo que también fue necesario realizar un segundo analisis de varianza teniendo en cuenta la velocidad de aireación (ver tabla 13 y 14) Velocidad de aireación (vvm) Día 1

0,0701

0,0833

0,0054

Día 2

0,0454

0,013

0,0206

Día 3

0,0093

0,0093

0,0045

Tabla 13: kLa obtenidos teniendo en cuenta la aireación.

ANÁLISIS DE VARIANZA Origen de las variaciones

Suma de cuadrados

Grados de libertad

Promedio de los cuadrados

Entre grupos

0,0003223

2

0,000161147

Dentro de los grupos

0,0007881

3

0,000262685

Total

0,0011103

5

Tabla 14:

F

0,61345972

Probabilidad

0,59792392

Valor crítico para F 9,5520945

Analisis de varianza considerando las velocidades de aireacion

El analisis de varianza respecto a los vvm, indicó que con un nivel de significancia del 0,5% se puede decir que el tratamiento

que mejor se amolda al modelo es el del día dos en su tratamiento 1 de 1,43-150 con valor de 0,0454, ya que su 13

adaptabilidad es mejor y esto es corroborado por la ANOVA que tiene un P de 0,59792392 y un F de 0,3164972. Analizando los resultados obtenidos en los analisis de varianza realizados, es posible inferir que se cumple con la teoría expuesta por Doran, (1998), en la cual expresa que las variables que mas influyen a la hora de determinar el kla son la agitacion y la aereación. 6. CONCLUSIONES Luego de desarrollar la serie de análisis por medio del método dinámico con el cual calculamos el coeficiente global de transferencia de oxígeno (KLa) para cada tratamiento los resultados no fueron los esperados debido a que había muchas variables con gran incidencia sobre el coeficiente KLa, las cuales fueron, la velocidad de agitación, flujo de aire y vvm. Para el valor de la transferencia de oxígeno se esperaba un valor del coeficiente de (KLa) relativamente alto con respecto al rpm, esto con el fin de obtener el mayor rendimiento de esta. Se realizó un análisis de varianza ANOVA con el fin de determinar cuál fue el mejor tratamiento con respecto a las RPM, arrojó que con un nivel de significancia del 0,5% se determinó que el tratamiento que mejor amolda al proceso es el segundo, debido a que tiene una mayor linealidad al momento de describirse. Después se comparó los resultados del coeficiente kla teniendo en cuenta dos variables, velocidad de agitación y vvm, este arrojó que en el dia 2 con su respectivo tratamiento número 1 corresponde al mejor tratamiento debido a que se amolda al proceso y su

aceptabilidad es mejor, corroborado por ANOVA.

7. CUESTIONARIO Ventajas y desventajas que pueda tener este método en comparación a los otros que ya usted conoce. La ventaja principal de este método dinámico para la determinación del KLa es su bajo costo, y a la vez que su procedimiento es relativamente fácil. La desventaja que tiene es que es un método dinámico es que no es muy fiable y muchas veces requiere varios montajes para conseguir un resultado adecuado. El Kla también se puede determinar por el método de balance de oxígeno el cual consiste en medir la concentración de oxígeno en la entrada y salida del fermentador, además este método puede aplicarse a los fermentadores durante la operación. ¿Qué otros factores pueden alterar el valor del KLa en un sistema de fermentación? En estos biorreactores el coeficiente global de transferencia de masa (KLa) es el parámetro de mayor relevancia en el diseño y la operación, dependiendo de una gran cantidad de factores, por ejemplo, de la velocidad de agitación que modifica el régimen de turbulencia y disminuye el tamaño de burbuja. Sin embargo, el consumo de energía es proporcional a la velocidad a la tercera potencia y al diámetro del agitador a la quinta potencia incidiendo en el costo de operación. Además de lo anterior, se debe tenerse en 14

cuenta que altas velocidades de agitación tienen una influencia negativa en la productividad de complejos enzimáticos, debido al efecto de los esfuerzos de corte sobre el cultivo. (Bandaiphet, 2006). Agitación: Aumenta el área de intercambio por ruptura de las burbujas y aumenta el área por unidad de volumen. Disminuye el espesor de la película (L) por lo que aumenta el Kla. Aireación: Aumenta el número de burbujas aumenta y disminuye el Kla. Temperatura: Afecta el coeficiente de difusión y la solubilidad (cte de Henry). Viscosidad: A mayor viscosidad, mayor resistencia a la transferencia (ver número de Reynolds). Tensiactivos: Afectan el área de trasferencia y el KL y el efecto global depende de la concentración burbujas más pequeñas aumento del área y del Kla. Aumento de la resistencia de la película disminuye el KL.

Sustancias Orgánicas: Antiespumantes: disminuyen el Kla. Peptonas, micelio, biomasa: disminuyen el Kla. Alcoholes, cetonas y esteres: aumentan el Kla. (Voget. Prieto, 2016) Efecto de iones disueltos: El coeficiente volumétrico de transferencia de masa aumenta significativamente cuando la concentración de iones en la disolución se eleva. La adición de electrolitos aumenta la retención del gas debido a su influencia en disminuir el tamaño de burbuja y al generar un efecto de no-coalescencia tanto a baja presión como a alta presión. En las

disoluciones iónicas el kLa es más dependiente de la potencia por unidad de volumen que en comparación con el agua pura. (Fournier, 2014) Efecto de consumo por parte de microorganismos: El coeficiente de transferencia de oxígeno aumenta con el consumo de oxígeno por parte de los microorganismos. Este efecto se presenta debido a que existe una mejora en la transferencia conforme el oxígeno que entra en disolución es consumido por los microorganismos presentes en el medio. La variación en la tasa específica de absorción de gas por unidad de fuerza motriz por unidades de área interfasial debido a la presencia de microorganismos se conoce como el factor de mejora biológico, E. En términos numéricos, E se puede ver de la siguiente manera:

Donde KLa corresponde al coeficiente volumétrico de transferencia de masa en presencia del microorganismo. El factor de mejora biológico depende no solamente del tipo de microorganismo involucrado en el cultivo, sino también en la concentración de este. E puede tener un valor menor a la unidad, lo cual implica que la presencia del microorganismo entorpece la transferencia de masa; un valor mayor a la unidad, indicando que la transferencia es favorecida por el microorganismo; o valores cercanos a 1, lo cual es indicio de que la presencia del microorganismo no interfiere de gran manera en la transferencia de oxígeno. Si 15

bien el valor de E se puede obtener experimentalmente para distintas condiciones de operación. (Soler, 2010)

Dia

RPM

t1

t2

Cal1

Cal12

CAL

Kl(s)

Kl(h)

[m(O2).x]

T1

150

2215

2225

3,88

5,73

7,55

0,0701

252,4879

0,0080

0,2574 0,2494

T2

300

2690

2700

0,6

0,75

1,28

0,0833

300,1424

0,0007

0,1016 0,1009

T3

450

3710

3720

0,01

0,17

3,03

0,0854

19,5900

0,0001

0,0164 0,0163

T1

150

2490

2500

1,24

3,57

7,63

0,454

163,2784

0,0023

0,2898 0,20875

T2

300

3617

3621

0,016

0,33

6,2

0,0130

46,8996

0,0014

0,0806 0,0791

T3

450

1555

1565

0,05

0,74

3,75

0,2054

74,3010

0,0005

0,7637 0,7632

T1

150

1750

1760

0,0083

0,4316

4,7808

0,0093

33,4362

0,0004

0,0443 0,0439

T2

300

1750

1760

0,01

0,52

5,76

0,0093

33,4362

0,0002

0,0534 0,0531

T3

450

1705

1715

0,11

0,37

6,03

0,0045

16,1685

0,0002

0,0266 0,0264

1

Dia 2

Dia 3

Tabla 15 : KLa obtenidos, con las respectivas variblaes.

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