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Determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno ( KLa ) Danilo Hernández1, Adrián Morales Morales 2, Harold Lozano Olivares 3 1

Estudiantes de Ingeniería de Alimentos, Universidad de Córdoba, Berástegui, Colombia. Orientador: PhD. Deivis Lujan Rhenals RESUMEN

El método dinámico permite la determinación de KLa en diferentes etapas del proceso. La principal limitación de este método radica en la necesidad de mantener la concentración de oxígeno disuelto por encima del valor crítico. El siguiente estudio se realizo para determinar y evaluar el coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno; en un caldo de fermentación que contenía 15 g /L de peptona, 15 g /L de extracto de levadura y 35 g/L de glucosa con una de velocidad de 80 rpm de agitación, se pudo obtener las grafica correspondiente de CL vs VS y el el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno. Palabras Claves: Proceso, oxigeno, coeficiente, fermentación. SUMMARY The dynamic method it allows KLa's determination in different stages of the process. The principal limitation of this method takes root in the need to support the concentration of oxygen disuelto over the critical value. The following study I realize to determine and to evaluate the volumetric coefficient of transfer of oxygen; in a broth of fermentation that was containing 15 g/L of peptona, 15 g/L of extract of yeast and 35 g/L of glucose with one of speed of 80 rpm of agitation, corresponding grafica of CL could obtain vs Vs and the volumetric coefficient of transfer of oxygen. Key words: Process, I become oxygenated, coefficient, fermentation.

1. INTRODUCCIÓN La medición de la capacidad de transferencia de masa, oxígeno, en un biorreactor aerobio es de suma importancia, por cuanto dicho valor determinará la productividad del sistema. La característica general de los problemas de transferencia de masa en un sistema fermentativo es que el oxígeno pasa desde una fase a otra en la cual se encuentra el microorganismo. Las distintas etapas presentes en este fenómeno son: • Transporte del oxígeno desde la fase gaseosa hacía la interfase gas-líquido. • Difusión del oxígeno a través de la interfase gas-líquido. • Transporte del oxígeno a través de la fase líquida hasta las vecindades del microorganismo. • Difusión del oxígeno en la interfase líquidosólido (célula). • Difusión intrapartícula (intracelular). • Reacción bioquímica intracelular. Una de las particularidades de la ocurrencia de este fenómeno es que todas estas etapas se dan en serie. Se ha determinado, por ejemplo, que en microorganismos unicelulares la etapa limitante la constituye la difusión del oxígeno en la interfase gas-líquido, de modo que la velocidad neta de transferencia de masa se expresa en términos de un coeficiente de transferencia referido a la fase líquida, el área de la Interfase y un gradiente de concentraciones de oxígeno entre la interfase y la fase líquida (1). El oxígeno disuelto es un nutriente limitante en cultivos con alta demanda de oxígeno, lo cual puede deberse a la velocidad de crecimiento del microorganismo, a una alta producción de biomasa o a que las propiedades reológicas de los medios de cultivo ofrezcan resistencia a la transferencia de masa. Sin embargo, una de las razones principales por las que la disponibilidad del oxígeno en el medio de cultivo es limitada, está relacionada con su baja solubilidad en soluciones acuosas de nutrientes. Para superar este inconveniente y evitar que la transferencia de oxígeno sea el paso controlador para el crecimiento microbiano, viéndose afectado el cultivo y el bioproceso, se emplean como

alternativas convencionales cambios en la velocidad de agitación o en el flujo de aireación o en los sistemas de distribución de aire (2).

2. MATERIALES Y METODOLOGÍA

1) Preparación del pre-inoculo: Se preparó un pre-inoculo un día previo a la realización el experimento con el fin de evitar la fase de latencia de los microorganismos.

FIGURA 1. FERMENTADOR BATCH SUMERGIDO AEROBIO 2) Inoculación y Fermentación: 

Se inocular el fermentador con 100 mL de pre-inóculo (10% del volumen final).



Se instalaron los accesorios del fermentador aerobio; (ver figura 1).



Se suministro gran cantidad de aire 1,5 vvm, y velocidad de 80 rpm.



Se dejo estabilizar el sistema durante 10 min, se suspendió suministro de aire hasta lograr el valor inicial cuando sistema no era aireado, se reinició la aireación

hasta alcanzar la concentración en el tiempo cero. (registrando los datos con el tiempo correspondiente).

3. RESULTADOS y ANÀLISIS

4. PREGUNTAS

2. Consulte las principales ventajas y desventajas que pueda tener este método en comparación a los otros que ya usted conoce. Otros métodos de medición del kLa Se han propuesto otras técnicas para la medición del coeficiente volumétrico de transferencia de masa las cuales mejoran ciertos aspectos de los métodos clásicos. Algunos de ellos se basan en una reacción química como por ejemplo la oxidación de hidracina propuesta por Onken (1985) o la biooxidación de catecol la cual forma un semialdehído 2-hidroximucónico y es catalizada por la enzima catecol-2,3- dioxigenasa (Ortiz-Ochoa, 2005). Hill (2006) elabora un método que utiliza el cambio de pH producto de un constante burbujeo de dióxido de carbono en un reactor bien mezclado. Si bien este método se utiliza originalmente para la medición de la transferencia de masa del dióxido de carbono, se puede correlacionar con la transferencia de oxígeno por medio de la teoría de capa (Hill, 2006). Otros métodos consisten en la medición de la tasa de crecimiento de un microorganismo estrictamente aeróbico en condiciones limitadas de oxígeno por un período de tiempo específico (3).. También existen técnicas para la determinación del coeficiente de transferencia de masa basadas en métodos físicos. Carbajal (2004) propone el método del cambio dinámico de presión, en donde se mide el cambio en la concentración de oxígeno disuelto cuando se cierra parcialmente la salida del gas de un medio de cultivo para aumentar la presión parcial de oxígeno. Este método tiene la ventaja sobre el método dinámico tradicional en que en ningún momento se priva a los microorganismos de oxígeno (Carbajal, 2004). Otra técnica es conocida como el método dinámico con pulsos azarosos y consiste en la generación de perturbaciones de corta duración en el aire de entrada al biorreactor, conocidas como pulsos. Los pulsos pueden ser nitrógeno puro o aire, por lo que la concentración del oxígeno disuelto varía al ocurrir cada pulso y esto puede ayudar a determinar el kLa (Gauthier, 1991). Pendersen (1994) introduce un nuevo método que consiste en la inyección del isótopo radioactivo Kr-85 dentro del medio y la posterior medición de la radioactividad en el gas de salida. Este método, al igual que los que utilizan la concentración de dióxido de carbono, se vale de la teoría de capa para predecir el kLa del oxígeno a partir del de kriptón (3).

Comparación de los valores de kLa obtenidos por los diferentes métodos Como se mencionó previamente, los métodos químicos tienen la limitación de los cambios en la dinámica del fluido causada por la adición de sustancias adicionales. Entre los métodos físicos, el método dinámico es por mucho el más comúnmente utilizado en las últimas décadas para evaluar el kLa debido a su simplicidad y su buena precisión. Tanto las mediciones de absorción como la de desorción dan valores idénticos del kLa bajo las mismas condiciones hidrodinámicas (Gomez, 1995); sin embargo, si el tiempo de respuesta del sensor de oxígeno es de la misma magnitud que el tiempo del proceso de transferencia de oxígeno (1/kLa), la respuesta dinámica del sensor debe tomarse en cuenta para la determinación correcta del kLa (3).

Tabla. Comparación de los diferentes métodos de determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno

3. ¿Qué otros factores pueden alterar el valor del KLa en un sistema de fermentación? Explique. Factores que afectan los valores de kLa 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 (Arjunwadkar, 1998; Gogate, 2000). Van’t Riet (1979) establece que en las disoluciones iónicas, el kLa es más dependiente de la potencia por unidad de volumen que en comparación con el agua pura. Efecto de la viscosidad del líquido Los valores de kLa disminuyen conforme aumenta la viscosidad del líquido (Arjunwadkar, 1998; García- Ochoa; 1998). Gogate (2000) explica que este fenómeno se presenta debido a que la distribución del tamaño de las burbujas en esta disolución es tal que predominan las burbujas muy grandes y las muy pequeñas. Las burbujas grandes tienen una alta velocidad de ascensión, poco tiempo de retención y un área superficial baja. Por otro lado, las burbujas muy pequeñas poseen muy poco oxígeno y se agotan rápidamente. Además, con un aumento en la viscosidad existe un aumento en la capa límite la cual aumenta la resistencia a la transferencia de masa. Por lo tanto, únicamente los vórtices con suficiente energía pueden penetrar esta capa y lograr el rompimiento de las burbujas o la transferencia de solutos gaseosos al líquido. Efecto de agentes antiespumantes La presencia de espuma en los bioprocesos es algo muy común y una estrategia para controlar esta situación es con el uso de un agente antiespumante. Los agentes antiespumantes de silicón son considerados como ideales entre los disponibles para sistemas biológicos debido a su naturaleza inerte. Los agentes antiespumantes actúan al alterar las características de la tensión superficial las cuales también afectan el comportamiento de coalescencia en la fase gaseosa, y a su vez, afecta el kLa (Gogate, 2000). La coalescencia aumenta y se forman burbujas más grandes, por lo que la transferencia disminuye (Arjunwadkar, 1998). Otros autores han señalado que estas sustancias provocan un efecto barrera debido a la capa de surfactante que se forma en la

interfase gas-líquido la cual ofrece una resistencia al movimiento de las moléculas de oxígeno. Efecto del espaciado entre agitadores En los sistemas de fermentación, es muy común la utilización de más de un agitador debido a que aumenta el tiempo de retención del gas, disminuye el consumo de potencia general, disminuye el esfuerzo cortante y mejora la suspensión de sólidos así como el mezclado en general (Gogate, 2000). Cuando existe entonces más de un agitador, Machon (1988) estudió los efectos de la separación entre los agitadores sobre el kLa y concluyó que estos valores aumentan conforme se hace un aumento en el espaciado de los agitadores. El valor incrementado en el kLa se puede atribuir al hecho de que conforme aumenta el espaciado entre agitadores, la magnitud de la influencia del agitador en el campo de flujo generado por el otro agitador disminuye y se da una situación que sería similar a tener a dos agitadores rotando independientemente. Debido a esto aumenta el tiempo de retención de gas y por lo tanto el valor del coeficiente volumétrico de transferencia de masa (Machon, 1988). Efecto de la combinación de agitadores Dado que el agitador es el dispositivo principal de dispersión del gas, este naturalmente tendrá un profundo efecto en las características de transferencia de masa del sistema. Arjunwadkar (1998) realizó experimentos con combinaciones distintas de agitadores y reportó que una combinación de una turbina de disco plano (Rushton) en la posición inferior y una turbina de aspa inclinada con flujo descendente en la posición superior produce el mejor desempeño por unidad de potencia consumida. Esto se debe a que la retención del gas es máxima cuando se utiliza este arreglo. En términos de dispersión, dos turbinas Rushton son más eficientes que el arreglo descrito previamente pero consumen más potencia (Arjunwadkar, 1998). Efecto del consumo de oxígeno por parte de microorganismos Vashitz (1989) ha reportado que el coeficiente de transferencia de oxígeno aumenta con el consumo de oxígeno por parte de los microorganismos en un cultivo de Xanthomonas campestris. Calik (1997; 2004) realizó estudios similares en Pseudomonas dacunhae y Escherichia coli y describió resultados similares.

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 (3)

5.CONCLUSION

6.BIBLIOGRAFIAS 1. Erazo R., Cárdenas J. (2001) determinación experimental del coeficiente de transferencia de

oxígeno

en

un

biorreactor

batch

[online]

Available

at:

http://revistasinvestigacion.unmsm.edu.pe/index.php/quim/article/viewFile/4270/3410 [Accessed 12 Feb. 2019]. 2. Buitrago, G. (2019). Evaluación de la transferencia de oxígeno en un biorreactor convencional con aireador externo. 4th ed. [ebook] Bogotá, Colombia, pp.4-7. Available at: http://www.scielo.org.co/pdf/biote/v15n2/v15n2a13.pdf [Accessed 19 Nov. 2013]. 3. Quirós, J. (2014). Determinación de modelos para la predicción de los coeficientes volumétricos de transferencia de masa (kLa) oxígeno-medio de cultivo en biorreactores tipo tanque

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