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Presentación sobre escalamiento de biorreactores utilizados en procesos aeróbicos
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Bioprocesos
Materias
primas Productos Pretratamiento
Upstream
Postratamiento
Downstream REACTOR
Reciclo
Corazón del proceso,
modifica sustancialmente el
costo de las otras etapas
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.
Biorreactor / Fermentador
Bioprocesos aeróbicos
• La mayor parte de los bioprocesos industriales son aeróbicos.
• 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.
Reactor tanque agitado Stirred tank reactor
Reactor de transporte por aire Air lift column
Columna de burbujeo Bubble column
Reactores más utilizados en bioprocesos aeróbicos
• 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.
Parámetros que afectan la velocidad de transferencia de oxígeno
Pasos para el escalamiento de biorreactores
• Parámetros geométricos utilizados para el escalamiento
– 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
Para escalar un bioproceso necesitamos, entre
otros factores, garantizar la similaridad
geométrica del biorreactor.
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.
Bioprocesos aeróbicos en reactores tanque agitados
W
L
H
D
J
E Di
Correlaciones geométricas de un reactor tanque agitado
Así: S1 = D / Di S2 = E / Di S3 = L / Di S4 = W / Di S5 = J / Di etc.
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 en un reactor tanque
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..
Hélice: Produce flujo axial y se
utiliza con líquidos poco
viscosos (hasta 1000 cpoise) y
puede girar hasta 1500 rpm.
Agitadores
El diámetro del agitador es
pequeño respecto al del
tanque (entre el 3 y el 10%).
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
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.
Nivel de agitación P/V en kW/m3 (hp/1000 gal)
Bajo 0,2-0,6 (1-3)
Moderado 0,6-1 (3-5)
Alto 1-4
(5-20)
Muy alto >4
(>20)
Requerimientos de potencia de agitación
Factores a tener en cuenta para la adopción del sistema de agitación
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.
Escalamiento de biorreactores
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
)
P/V (30%)
Kla (30%)
пND(20%)
O2 con. (20%)
Incidencia de cada criterio en la industria fermentativa (García & Gomez, 2009)
Criterios de escalamiento
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.
D ρ vRe
μ
Viscosidad del fluido
Dimensión característica
del sistema donde está
el fluido
Densidad del fluido
Velocidad característica del
fluido en el sistema
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).
2
imod
D ρ NRe
μ
Obtenemos así un número de
Reynolds modificado:
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:
Escalamiento a potencia constante
3 5
P iP = N ρ N D
Np
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
Para sistemas con aireación podemos estimar la
potencia entregada en la agitación a través de la
correlación propuesta por Michel y Miller (1962) :
Escalamiento a potencia constante
0,452 3
ig 0,56
P N DP = m
Q
constante que depende del agitador
(vale 0,832 para turbina Rushton)
caudal de aireación (m3/s)
Reemplazando convenientemente:
Escalamiento a potencia constante
Escalamiento a potencia constante
Manteniendo la relación P/V = cte:
Escalamiento a Re constante
2
imod
D ρ NRe
μ
1 2
2 2
i 1 i 2D N D N
1
2
2
i
2 1
i
DN N
D
Escalamiento a velocidad tangencial constante
1
2
2
i
2 1
i
DN N
D
N1 Di1= N2 Di2
v1 = v2
Escalamiento a kla constante
Escalamiento a kla constante Q
(L/min)
N (rpm)
Limitación de O2 y/o
acumulación de CO2
Formación de espuma
Elevados
esfuerzos
de corte
Heterogeneidad
de mezcla
Nmín Nmáx
Qmáx
Qmín
(García & Gomez, 2009)
Escalamiento a kla constante (Fluidos Newtonianos)
(García & Gomez, 2009)
Escalamiento a kla constante (Fluidos no Newtonianos)
Variable Valor en
escala lab. (V = 2 L)
Valor en escala piloto (V = 20 L)
Criterio de escalamiento
P/V = cte ND = cte Re = cte kla = cte
D 1 2,14 2,14 2,14 2,14 P 1 10,00 4,80 0,50 13,80
P/V 1 1,00 0,48 0,05 1,38 N 1 0,60 0,47 0,22 0,67
N D 1 1,28 1,00 0,47 1,43 Re 1 2,75 2,15 1,00 3,07 kla 1 0,77 0,55 0,19 1,00
Comparación de criterios
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
TT
Double DT
System
H
2
1 SCb2
Cb1D
2
1
D
3
H
Cb2
Cb1
S12
S23
S13
Triple DT
System
Escalamiento de biorreactores con múltiples agitadores
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
Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo
Aireadores estáticos
Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo
Aireadores dinámicos
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
Bioprocesos aeróbicos en columnas de burbujeo
