Tema5-Biorreactores, Apuntes de Ingeniería Química

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Ingeniería de los Procesos

Biotecnológicos

Tema 5.

Análisis y diseño de

biorreactores.

Biorreactor

-^

Un

biorreactor

es

un

recipiente

o^

sistema

que

mantiene

un

ambiente

biológicamente activo para llevar a cabo una fermentación. Es decir, un procesobiológico o bioproceso para la descomposición de la materia orgánica por laacción de los microorganismos (bacterias y hongos).

-^

Este

proceso

puede

ser

aeróbico

o^

anaeróbico.

Estos

biorreactores

son

comúnmente

cilíndricos,

variando

en

tamaño

desde

algunos

mililitros

hasta

metros cúbicos.

-^

Industrialmente son usualmente fabricados en acero inoxidable. Son fáciles demantener. Requieren soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandesvelocidades. El proceso debe ser llevado a cabo con:

–Economía–Alto rendimiento–Menor tiempo posible

-^

Se clasifican:

–FLUJO : Mezcla perfecta, flujo pistón, tanques en serie.–OPERACIÓN: Discontinuo (batch), Continuo (quimiostato), Lotes.– AGITACIÓN: Aire, mecánica, mixta.

Tipos de biorreactores •^

Reactor de tanque agitado:–

Más utilizado y confiable

-^

Sistema de agitación mecánica con deflectores

-^

Inyección de aire por la parte inferior

-^

Encamisado

-^

Quimiostato o cultivo continuo:–

Se mantiene por un tiempo indefinido.

-^

Flujo continuo de reactivos y el productos.

-^

Opera con volumen constante.

-^

Lecho fijo

-^

Sistemas con recirculación

-^

Biorreactores agitados por fluidos: air-filt y lechos fluidizados.

-^

Fermendadores de membrana.

-^

Fotobiorreacores

Biorreactores CSTR

Sistema de agitación:

–Generar una mezcla perfecta para el sistema de cultivo– Facilitarla difusión de gases en el líquido–minimizar esfuerzos cortantes y la presión hidrodinámica

Biorreactores CSTR

Diseño de biorreactores

Aspecto real de biorreactores industrialesy de laboratorio

Q

G

F xo

,s

,po

o

P x, s, p

Q

G^

Sistema heterogéneo trifásico

S/L/G

Burbuja

Bacteria

Aire (O2)

Metabolismo )^2 Conc (O

Caldo

Diseño de biorreactores Modelo para el diseño biorreactores

-^

Balance de biomasa (X) a un fermentador continuo agitado(quimiostato). (^

)^

(^

)^

(^

)^

(^

)

(^

)^

(^

)^

(^

)^

^  

dx^ dt

V x P r V x F

acumula

sale

generado

entra

X

o

BIORREACTOR

V, x, s, p

F xo

,s

,po

o

P x, s, p

Q

G

Q

G

Diseño de biorreactores

D

V

Q

o^

μ

s

K

s

D

m S

⋅ +

=

=

D D

K

s

S m

μ

Factor de dilución (D) se define como el caudal (L/h) alimentado porunidad de volumen (L) del reactor, por tanto tiene unidades de (T

-1)

Por lo tanto, para un biorreactor operando en la fase exponencial lavelocidad específica de crecimiento microbiano (

) debe ser igual al factor

de dilución (D). Aplicando la ecuación de Monod:

(^

)^

(^

)^ x Q

x

V

sale

generado

o^

⋅

=

⋅ ⋅

=

Diseño de biorreactores

(^

)s

s Y D

V

X Q

P

o XS

o

X^

−

⋅

⋅

=

La productividad volumétrica del biorreactor (P) se define como la cantidadproducida (kg/h) por unidad de volumen (L) del reactor.

Productividad de microorganismo, X:Rendimiento global de biomasa-sustrato

p s

X P

p s

SP

x s

XS

r^ r

p x

Y

r r

p s

Y

r r

x s

Y

= ∆ ∆ =

−

∆ ∆ − =

−

∆ ∆ − = 1 1

Diseño de biorreactores^ Rendimiento global de producto-sustratoRendimiento de producto-biomasa

TRANSFERENCIA DE MATERIA ACOPLADA A LA REACCIÓN BIOLÓGICA. Normalmente, el transporte del sustrato hacia las células ocurre a una velocidadconsiderablemente más rápida que la reacción biológica, de tal manera que lavelocidad global de conversión del sustrato está gobernada exclusivamente por lacinética de la reacción( Monod).Sin embargo, si la transferencia de materia es relativamente lenta, el transportepuede determinar la velocidad observada. Para comparar

ambos procesos se

puede utilizar las constantes cinéticas asociadas.

Balance de sustrato (S):

.

r (distancia)

So

Da

s a k

xY

Da K s

Y s

x

x S V a

o L

XS m

S o

XS o o p

^ ⋅ 

 

= −

⋅ ⋅

 

^ 

⋅ = = ⋅ = =

α ν α

α

μ

ν

(^1

)^

(^

)

(^

)^

x s

K

s Y V s s S k

reacciona

entra

m S

XS

o p L^

⋅



⋅ +

 

 ⋅

=

− ⋅ ⋅

=

μ

1

Diseño de biorreactores

a

k

x

s

a

k

Y

x

Da

L

o m

o

L

XS

m

⋅^ ⋅

^ 

μ

μ

Da,

es

el

número

adimensional

de

Damköhler,

definido

como

la

velocidad máxima de la reacción biológica con relación a la máximo flujoa través de la capa difusional. El factor de efectividad depende, por tanto,del Da:

0.

0.

1

10

100

1.0 0.1 0.

E

Da

(^

)^

(^

Da

s

K

s

Y

x

s s a k

r r

o S

o

m XS

o

L

obs o

E

ν

μ

η

≈  





^ 

⋅

− ⋅ ⋅

=

=^

1

Diseño de biorreactores

(^

)^

(^

1 )

(^2). 0 (^7). 0

2 10 (^0). 2

−

− ⋅

=^

s

v V P

a k^

S

L

(^

)^

(^

(^5). 0 (^4). 0

2

−

−

s

v

V

P

a

k^

S

L

Para reducir el Da de un sistema heterogéneos se debe aumentar elcoeficiente de transferencia global de materia,^ Dispersiones coalescentes(limpias)Dispersiones no-colalescentes(sucias)

k

aL .

Correlaciones de Van´t Riet (1979): vS

velocidad superficial, m/s (v

=QS

aire

/A)

P^

potencia, w

V

volumen, m

3

Número de Potencia (Newton)

5

3

I

D

N

P

Np

L^

ρ

Diseño de biorreactores

Número de Reynold

El coeficiente de transferencia global de materia,

k

aL , depende de la

velocidad de agitación a través de número de potencia.

L

L I

D

N

Np

μ

2

Número de Potencia

Diseño de biorreactores