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Procesos Biotecnolgicos II
Clase 8: Transferencia de Oxgeno
Hugo Menzella
Mayo de 2013
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Sobre el trmino Fermentacin
MicrobiologaSe refierea procesos de conversin
anaerbicos. Ej . produccin de etanolBiotecnologa
Se refierea todos los procesos incluidos los aerbicos
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Bioproceso aerbicoStock de clulas Materias primas
Erlenmeyer
Fermentador de inoculacin
Medio de cultivo
Esterilizacin
Fermentador
Captura
Purificacin Productos
Aire
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Aireacin y Agitacin Importancia del mezclado en la
fermentacin
Dispersar burbujas de gas para asegurar transferencia de
gases
Mantener clulas en suspensin Mantener medio homogeneo Favorecer
la transferencia de calor
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Aireacin
Aireacin hace referencia al proceso de introducir aire para
incrementar la concentracin de oxgeno de los liquidos
Cumple adems la funcin de eliminar gases txicos (CO2)
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Aireacin de un lquido
Puede llevarse a cabo de distintas maneras:
1- Burbujeando aire en el lquido
2- Llevando a cabo un spray del lquido en aire
3- Agitando el para incrementar la superficie de absorcin
4- Combinacin de las anteriores. Ej. Burbujeo + agitacin
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Oxgeno es el sustrato gaseoso ms importante Existen mltiples
factores que afectan la transferencia
de oxgeno
La eficiencia de la transferencia de oxgeno es muchas veces el
factor limitante de la produccin de un proceso fermentativo
Los fermentadores y procesos de fermentacin estan diseados para
maximizar la transferencia de oxgeno
Satisfacer la demanda de oxgeno es una de las etapas ms costosas
de los procesos, tanto desde el punto de vista operativo como de
capital
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Problema: baja solubiliad del oxigeno en agua, solo ~8 ppm
(mg/L), a 20 y 1 atm
Debido a la influencia de sales disueltas que constituyen el
medio de cultivo la solubilidad es an menor que en agua pura.
La solubilidad de los gases sigue la ley de Henry en el rango de
presiones en el cual operan los fermentadores.
Transferencia de masa e intercambio de gases
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Ley de Henry Describe la solubilidad del O2 en un lquido en
relacin a la presin parcial del O2 en el gas en contacto con la
fase lquida
C* es la concentracin de saturacin en la solucin nutriente, Po
es la presin parcial de O2 en la fase gaseosa y H es la cte de
Henry, especfica para para el gas y la fase lquida
Insuflando aire se logra una concentracin de 8 mg O2/L en agua,
con oxgeno puro 43 mg O2/L.
H
P*C o
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Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
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Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
1 - Difusin dentro de la burbuja hacia la interfase gas-lquido 2
Difusin a travs de la interfase gas-lquido 3 - Difusin a travs de
la pelcula lquida en torno a la burbuja4 Movimiento por difusin en
el seno del lquido5 - Difusin a travs de la pelcula lquida en torno
al flculo
celular6 Entrada al flculo celular7 - Difusin a travs del flculo
celular8 Difusin a travs de la membrana celular9 Reaccin de
oxidacin
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Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
Etapa 1 Difusin dentro de la burbuja hacia la
interfase gas-lquidoLas molculas de gas se mueven rapidamente
y
estan homogeneamente distribuidas
O2
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Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
Etapa 2 - Difusin a travs de la interfase gas-lquido
La resistencia es despreciable. En sentido contrario el CO2 pasa
del lquido a la burbuja
O2
CO2
O2
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Etapa 3- Difusin a travs de la pelcula lquida en torno a la
burbuja.El movimiento es lento, es la etapa limitante y depende
de:
Temperatura Concentracin de oxigeno en la burbuja y el liquido
Viscosidad del medio de cultivo
Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
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Etapa 4 Movimiento por difusin en el seno del lquido
En general es rpida. Depende de:
La eficiencia del mezclado La viscosidad del medio de
cultivo
O2
Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
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Pasos 5 a 9
5 - Difusin a travs de la pelcula lquida en torno al
flculocelular
6 Entrada al floculo celular7 - Difusin a travs del flculo
celular8 Difusin a travs de la membra celular9 reaccin
Los pasos 5 y 7 son lentos. Las clulas aisladas son
siemprepreferiblesa aquellas quecrecenen flculos (Ej.
microorganismos filamentosos) porsufacilidad para captaroxgeno
Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
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Si el proceso utliliza clulas aisladas en suspensin y el
mezclado del lquidoeseficiente:
El paso limitante del proceso de transferenciaesla etapa 3-
Difusina travs de la pelculalquida en torno a la burbuja
Etapas de la transferencia de O2 desde la burbuja a la clula
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OTRCCakN LLA )*(NA = Transfrencia de masa (mMO2/Lh)kL =
Coeficiente de transferencia (m/h)a = Superficie de intercambio por
unidad de volumen (m-1)kLa = Coeficiente volumtrico de
transferencia de O2 (h-1) C* = Valor de saturacin para la cc O2de
en la interfase (aprox igual a la solubildad de O2 en fase lquida)
(mM/L)CL = Concentracin de O2 en fase liquida (mM/L)
de aqu en adelante OTR = O2 Transfer Rate (mM O2/Lh)
Proceso de transferencia de oxgeno
Paso 3La ecuacin para la transferencia de oxgeno en la
interfase:
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Parametros que influyen en la capacidad de transferencia de
oxgeno de un sistema de
fermentacin
Diseo del fermentador: Medio de cultivo:
Turbinas Solubilidad del oxgeno
Baffles Viscosiidad
Aireadores Presencia de agentes tensoactivos
Geometra
Organismo: Parametros del proceso:
Morfologa Veloc agitacin(RPM)
Caudal aireacin(VVM)
Presin parcial de O2 (pO2)
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Influencia de la Temperatura en la OTR
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Influencia de la Temperatura en la OTR
>T < Solubilidad de O2
>T >Difusin
10C-40C: predomina >Difusin , aumenta OTR
>40C: predomina < Solubilidad de O2, disminuye OTR
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Izquierda: influencia de la viscosiad del medio en la OTR
Derecha: influencia de la efecto la la presencia de componentes
del medio en la OTR
Influencia la morfologa y del medio de cultivo en la OTR
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Influencia de la agitacin y caudal de aireacin en OTR
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Influencia de la PO2 en la OTR
1- Aumento de la presin en el tanque
2- Incremento de la concentracin de oxgeno en el gas
suministrado
PO2 puede ser variada de distintas maneras:
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Importante:
Debe realizarse un
exhasutivo anlisis de
costo antes de
implementar el aumento
de presin o uso de
oxgeno puro
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Influencia del uso de agentes antespumantes
Son moleculas anfipticas
Se ubican en torno a las burbujas y disminuyen la transferencia
de O2
La formacin de espuma aumenta con el caudal de aire
suministrado. Caudales mayores a 1 v/vmin no pueden utilizarse en
fermentaciones de alta densidad de clulas
Cuando es posible se prefiere el uso de dispositivos mecnicos
rompe espuma
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Contenido de gas del fermentador y
tiempo de residencia de las burbujas
El O2 debe ser suministrado tratando que las burbujas queden
temporalmente retenidas en el seno del lquido para que el O2 se
transfiera a la fase lquida.
A > T residencia de burbuja > transferencia de O2 hasta el
punto en que la concentracin de O2 de la burbuja es muy baja.
T residencia de Burbuja depende del tamao y de la geometra del
fermentador (a > h > Tr)
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Porque es importante determinar KLa
para un sistema de fermentacin?
Es un parmetro confiable que permite determinar la maxima OTR de
un fermentador, una de sus
caracteristicas ms importantes (la otra es la capacidad
de disipar el calor generado)
Puedo determinar que fermentador es adecuado para escalar un
proceso (scaling up)
Si debo desarrollar un nuevo proceso y adaptarlo a un
fermentador de gran escala preexistente, permite
conocer las las limitaciones que voy a tener en planta y
limitar el alcance de la etapa I+D (scaling down) 27
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1. Mtodo de oxidacin de sulfito (mtodo de Cooper)
2. Gassing out esttico
3. Gassing out dinmico
Mtodos para determinar KLa
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Mtodos para determinar KLa
1. Mtodo de oxidacin de sulfito
Mide la velocidad de conversin de una solucin 0.5 M de sulfito
de sodio a sulfato en presencia de cobre como catalizador
Na2SO3 + 1/2 O2 Na2SO4
La velocidad de oxidacin del sulfito es proporcional a la
transferencia de oxgeno
Desventajas i) lento
ii) no considera reologa delmedio
Cu++ or Co++
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Mtodos para determinar KLa
Mtodo de Gassing out esttico
Utilizando la tcnica de gassing out se mide con una sonda
polarogrfica el incremento en O2 disuelto de un medio de
cultivo del cual se ha eliminado el O2
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Se elimina todo el O2 del medio por burbujeo de N2, luego se
administra aire y se grafca:
X
Y
Tiempo
Concentracinde O2 disuelto
La OTR a tiempo X es igual a la pendiente de la tangente a la
curva31
Mtodos para determinar KLa
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Mtodos para determinar KLa
Ventajas del Mtodos de Gassing out esttico
Rpido ~15 mins Puede utilizar medio de cultivo
Desventajas
En escala industrial se requieren grandes cantidades de N2 para
eliminar todo el oxigeno
Mide la transferencia de O2 n un unico punto del fermentador El
tiempo de respuesta del electrdo introduce errores
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Mtodos para determinar KLa
Mtodo de Gassing out dinmico Mide los niveles de O2 en cultivos
que estan creciendo en el fermentador
Se suspende la aireacin y el consumo de los microorganismos
reduce el nivel de O2
El incremento BC de O2 observado in el oxgeno disuelto es la
diferencia entre el OTR y el consumo de los microorganismos
(OUR)
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X
B
A C
Tiempo
Concentracinde O2 disuelto
Mtodo de Gassing out dinmico para la dereminacin de Kla
La aireacin se suspende en el punto A y se reinicia en B
Pendiente AB da RX(Velocidad de respiracin)
Pte BC da dC/dt
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Mtodos para determinar KLa
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Mtodo de Gassing out dinmico
Expresado como ecuacin:
dC/dt = Kla (Csat - CL) - QO2.X
QO2 = veloc respiracin (mmoles of O2 g-1 biomass h-1),
X = Biomasa
Se suspende la aireacin, se mide O2 disuelto
dC/dt = - QO2.X ... La pte AB permite determinar QO2.X
Se reinicia la aireacin y se mide O2 disuelto ,
dC/dt = KLa (Csat - CL) - QO2.X(pte BC) (tabulada) (Observada)
(pte AB)
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Mtodo de Gassing out dinmico
Ventajas
Puede determinar KLa durante una fermentacin real Rpido
Desventajas
Puede trabajar en un rango limitado de concentraciones de O2, el
nivel no puede caer por debajo de la Ccrit
Dificil de aplicar en fermentaciones con alta demanda de O2
(como la de nuestro TP!)
Mide OTR en un solo punto del fermentador, adonde se aloja la
sonda.
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Niveles crticos de O2 disuelto
Para maximizar la produccin de biomasa se debe satisfacer la
demanda de O2 de las clulas en cultivo manteniendo el nivel
por encimaa de la Ccrit
Si la concentracin cae por debajo de Ccrit se altera el
metabolismo con el consecuente impacto en la productividad
Importante: el consumo de puede controlarse regulando la
velocidad de administracin de los sustratos oxidables, este es
el fundamento de las denominadas fermentaciones en batch
alimentado
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Estequiometra de la respiracin
Consideramos el uso de glucosa como fuente de carbono y
energa;
C6H12O6 + 6O2 = 6H2O + 6CO2 PM glucosa =180PM O2= 32
Para oxidar 180 g de glucosa se requiren 192 g de O2.
Si la velocidad de captacin de O2 de la biomasa (OUR) supera la
OTR se consume rapidamente todo el O2 y habr alteraciones
metabolicas
Pero puedo administrar la glucosa a una velocidad tal que el
fermentador pueda suministrar el O2 necesario para oxidarla. Esta
es la razn mas importante para establecer procesos en batch
alimentado
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Ccrit O2 para algunos microorganismos
Organismo Temperatura Concentracin crticaoC de O2
(mmoles dm -3)
Azotobacter sp. 30 0.018
E. coli 37 0.008
Saccharomyces sp. 30 0.004
Penicillium chrysogenum 24 0.022
Ccrit es la cc de O2 por debajo de la cual la velocidad de
respiracion comienza a disminuir, se relaciona con Km de oxidasas
de cadena respiratoria
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Concentracin de O2 vs Velocidad de respiracin (Veloc Cto)
El efecto de la concentracin de O2 disuelto en la velocidad de
respiracin la cual puede relacionarse directamente con la
velocidad
de crecimiento puede describirse con una ec de Michaelis
Menten
Veloc respiracin (QO2) = QO2 max . conc O2 / ( Ks + conc
O2 )
Vel cto especifico = max. C/ (Ks + C) donde C = conc O2QO2 =
mmoles O2 consumidos por gramo de peso seco de
biomasa
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concentracin de O2 disuelto
QO2
Ccritical
Effecto de la concentracin de O2 disuelto en el QO2 de un
microorganimo
El consumos especifico de O2 se incrementa al aumentar la
concentracin
de O2 disuelto hasta un cierto valor denominado Ccrit 41
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Factores que afectan la demanda de oxgeno
Velocidad de respiracin determinada por la afinidad de
oxidasas
Tipo de respiracin (aerbica vs anaerbica) Tipo de sustrato
(glucosa vs metano) Otros factores ambientales (pH, temp etc.)
Relacion superficie/ volumen
Tamao (bacteria v clula animal)
Presencia de hifas, clogs, etc.
Naturaleza de la superficie (presencia de capsula, etc)42
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Para recordar: balance entre demanda y suministro de O2 al
disear un bioproceso
El diseo de un proceso de fermentacin debe ser tal que
en todo momento el OUR sea menor al OTR
OUR = QO2.X
QO2 = O2 Veloc de captacion especfica, X = Biomasa
OTR = KLa(Csat - CL )
Adems la concentracin de O2 disuelto debe ser > Ccrit
en todo momento.
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Para recordar: balance entre demanda y suministro de O2 al
disear un bioproceso
La fermentacin tiene un OTR mximo dictado por los
factores descriptos anteriormente, por lo tanto si es
superada la OTR mxima debe reducirse la demanda
del bioproceso mediante:
Control de la concentracin de biomasaControl de la
QO2Combinaciones de ambas
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