Los Bioreactores Requerimientos básicos y tipos de reactores Se desea obtener un rendimiento de producto alto, productividad alta, y también reproducibilidad alta. La mayoría de los bioreactores están dentro de las categorías siguientes: tanques no agitados, tanques agitados, reactores air – lift, reactores de membrana, lechos fluidizados ó lechos empaquetados. Los tipos de reactores difieren principalmente con respecto al modo de agitación y aireación. En reactores agitados mecánicamente, el mezclado se hace con agitadores internos, en cambio en reactores agitados neumáticamente el flujo se alcanza por aireación solamente. En reactores loop, parte del medio es continuamente withdrawn por medio de una bomba. La aireación, la adición de sustrato y la transferencia de calor se ubican en el loop externo.
Reactor tanque agitado Columna de burbujas Reactor air lift Reactor de lecho empaquetado Reactor loop con circulación externa, e intercambiador de calor
Hay varios tipos de agitadores, sus características varían de acuerdo al tipo de flujo, a la capacidad que tengan para agitar una suspensión ó para dispersar. Se distinguen dos tipos principales de agitadores: los agitadores de flujo axial (propeller) y los de flujo radial (agitadores turbina de hojas planas). El diámetro del agitador es 1/3 del diámetro del reactor (turbina Rushton), mientras que para fluídos foil, el diámetro del agitador puede exceder a la mitad
del diámetro del tanque. Carácterísticas de los agitadores Características Propeller Turbina de Disco Dirección de flujo Axial Radial Gassing menos apropiado muy apropiado Dispersar menos apropiado muy apropiado Suspender muy apropiado menos apropiado Mezclar muy apropiado apropiado
La aireación tiene lugar introduciendo aire (oxígeno) por medio de un distribuidor colocado debajo de los agitadores. Consiste de un tubo abierto, ó un anillo con orificios muy finos (de diámetro algo menor al del agitador). La relación entre la velocidad de flujo de aire, vg, y el área de sección transversal del reactor se llama velocidad superficial del gas, us. La velocidad superficial del gas no debe ser muy grande, para asegurar una dispersión eficiente y utilización del gas. A velocidades superficiales del gas demasiado altas, el agitador está completamente rodeado del gas, y la capacidad de dispersión cae dramáticamente. Este fenómeno se llama flooding.
Procesos Físicos de Importancia en un Cambio de Escala Hay un nº de factores físicos que cambian en un cambio de escala del reactor. Estos problemas se resuelven con ecuaciones de movimiento para el fluído en el reactor. Enfocaremos modelos simplificados para ilustrar los cambios esenciales que ocurren con respecto al: mezclado, consumo de potencia, transferencia de calor, transferencia de masa y patrones de flujo en reactores tanque agitados como cambios de escala. Mezclado Se entiende como mezclado el proceso para alcanzar uniformidad. Se divide en el nº de fases involucradas en el proceso de mezclado: Mezclado de una única fase líquida, mezclado líquido – líquido, mezclado gas – líquido, mezclado sólido – líquido, y mezclado de tres fases. Un bioreactor generalmente contiene tres fases por lo que no se puede alcanzar uniformidad en una escala micro. Sin embargo con velocidades de agitación muy altas, la concentración en las fases líquida y gaseosa puede ser aproximadamente constantes en el volumen del reactor. La suposición de mezclado perfecto es válida para escala pequeña (1 – 2 l) en reactores que son agitados intensamente, con tiempos de mezclado del orden de 1 seg, ya que la mayoría de los procesos biológicos son procesos relativamente lentos a temperaturas de 30 a 40 º C.
En sistemas de escala grande, el tiempo para alcanzar homogeneidad en el reactor puede ser del orden de minutos, por lo que no se puede despreciar. El mezclado se alcanza por un flujo de convección ó sea la distribución causada por el patrón de flujo principal en el reactor (macromezclado). Y en el micromezclado el tamaño se alcanza por difusión molecular. Una forma de cuantificar el mezclado es por ej. agregar un colorante al reactor y monitorear el regreso gradual a la homogeneidad. El grado de mezclado ó grado de homogeneidad, m , se usa cuantitativamente para describir este experimento y se define como: Donde s(t) es la concentración del trazador a tiempo t, s0 es la concentración inicial, sinfinito es la concentración para t tendiendo a infinito, donde m se aproxima a 1. El tiempo de mezclado se define como el tiempo necesario para obtener un valor de m más grande que un valor específico threshold. Este es un valor arbitrario (0.95 a 0.99). Algunos investigadores consideran que el mezclado se asemeja a un proceso de primer orden. Por lo tanto el tiempo de mezclado será la inversa de una constante de velocidad de primer orden, es conveniente comparar la velocidad de mezclado con la velocidad de transferencia de masa, ó la velocidad de la reacción.
Para un sistema de una fase desarrollado en un tanque agitado con bafles, el tiempo de mezclado es inversamente proporcional a la velocidad del agitador, N (seg-1). La velocidad del agitador se expresa en rpm, rotaciones por minuto. La constante de proporcionalidad depende del tipo del agitador. Otra característica que depende del tipo del agitador es la capacidad de bombeo , vpump, que se define como el volumen de líquido que es expulsado desde el agitador por unidad de tiempo (m3 / seg). ds es el diámetro del agitador (m). La constante de proporcionalidad se llama Número de flujo , Nf , y depende del tipo del agitador y la viscosidad del medio. El tiempo de circulación , tc (seg) , se define como:
tm es proprcional a tc en un reactor de flujo turbulento completo. Potencia Consumida El proceso de mezclado requiere energía. La potencia de entrada, P (W) , en un tanque agitado consiste de dos partes, la potencia para agitar y la potencia de compresión para la aireación. Para reactor tanque agitado el 1º término es lo importante, y para una columna de burbujas como un reactor air – lift lo es el segundo.Además se requiere de una energía adicional para la circulación del líquido, por ej: con bombas externas. La potencia de entrada es de costo mayor en procesos aeróbicos, y esto depende de varios factores: velocidad de agitación, N, diámetro del agitador, ds, densidad del fluído, ?l (kg / m3), y la viscosidad del fluído, ? (kg / m seg) es la viscosidad dinámica. Por análisis dimensional es posible combinar estos factores en nº adimensionales, el consumo de la potencia para agitar se expresa como una función de un nº adimensional , Np (nº de Newton), Np también se expresa como una función del nº de Reynolds, que se definen como:
La variación de Np con el Res , se observa en la figura siguiente. El flujo en un reactor tanque agitado es completamente turbulento, para un Res > 104. En un reactor con bafles, sólo las fuerzas inerciales son importantes para un flujo turbulento, Np tiene un valor constante de Res. En régimen de flujo laminar, Res < 10, las fuerzas viscosas dominan y la disipación de la potencia dependerá del Res.
Para flujo laminar el Np es: Entre flujo laminar y turbulento hay una zona de transición, en la cual hay que considerar las fuerzas inerciales y viscosas. Para Np conocido, la potencia consumida se calcula como: (para un único sistema de agitadores) Para múltiples agitadores se puede calcular la potencia de entrada multiplicando la potencia consumida por el nº de agitadores, pero esto es una sobre estimación, ya que la potencia consumida aumenta suavemente menos y proporcional a nº de agitadores.
Influencia de la aireación La potencia consumida para la agitación está afectada por la aireación. Cuando se dispersa el gas en el tanque , las burbujas se van hacia regiones de baja presión, entonces se forman áreas llenas de gas, que se llaman cavidades cerca de las hojas del agitador. La formación de estas cavidades depende de la relación entre la velocidad volumétrica del flujo de gas y la capacidad de la bomba. Esta relación se expresa como un grupo adimensional, llamado número de aireación NA: Nf es el nº de flujo vg: flujo de gas (m3 / hr) vpump:flujo inducido por el agitador (m3 / seg) Las cavidades crecerán con el aumento de NA hasta que el agitador está completamente inmerso en el gas, una condición que se llama flooding. El Np,g cae gradualmente con el aumento de NA, tal como se muestra en la figura siguiente.
Una correlación empírica que describe la relación entre Pg , y P no aireada, es el consumo de potencia:
El valor de k depende del tipo de agitador. Potencia de entrada en una columna de burbujas: es normalmente pequeña en reactores tanque agitado, además la energía para el mezclado es suministrada por la aireación. La potencia de entrada de compresión que opera auna velocidad superficial moderada es: g: es la aceleración de la gravedad (9.82 m / seg2) us: velocidad superficial del gas (m / seg) V: volumen (m3) Cambio de Escala y Transferencia de Masa El problema es describir la velocidad de transferencia de masa desde la fase gaseosa a la fase líquida. El valor de kla depende de la potencia específica de entrada, P/V, y la velocidad superficial del gas, us , y se expresa con la ecuación siguiente: (1)
k: constante de velocidad (ej: kg / kg hr) a y ß: coeficientes empíricos Vl:volumen de líquido (m3) Esta correlación se debe usar con cuidado para estimar la transferencia de masa en diferentes escalas. Es válida únicamente cuando el agitador no está totalmente sumergido en el gas. Como consecuencia de un cambio de escala la relación entre velocidad de aireación y volumen de líquido puede cambiar. La velocidad de aireación se expresa vvm (volumen de gas por volumen de líquido por minuto). La velocidad superficial del gas aumenta con V1/3 para un mismo valor de vvm. Si excede a la velocidad ascensional de la burbuja, ub (depende fuertemente de la viscosidad), ocurrirá flooding. Para un caldo viscoso ub se estima alrededor de 0.2 m/seg. Casi para una velocidad superficial del gas que se aproxime en un 25 – 50 %
de la velocidad ascensional de la burbuja , el flooding es probable que ocurra. Por lo que la velocidad superficial del gas debe mantenerse por debajo de 0.05 m/seg para asegurarnos de evitar el flooding en los caldos similares al agua. Superficie de aireación La transferencia de oxígeno al líquido no se debe únicamente a las burbujas dispersadas, sino también vía superficie. En reactores de escala pequeña (< 50 l), la contribución de la transferencia de oxígeno en la superficie es muy significativa, mientras que para reactores grandes se puede despreciar. En la ecuación (1) los exponentes a y ß disminuyen aumenta el tamaño del reactor. Disipación de la potencia no constante Es espacialmente no homogénea, es mucho > cerca del agitador (por un factor de 100). Se debe a diferencias en la distribución del tamaño de burbujas, hay burbujas pequeñas cerca del agitador y más grandes cerca de la pared, sobre todo en medios coalescentes. Estas correlación nos da un valor de kla < que en escala pequeña. Gradientes de otros compuestos distintos al oxígeno La transferencia de masa en todo el volumen de líquido no es instantánea, ej, la suposición del tanque ideal no es válida. Cuando aumenta el tc se producen gradientes para cualquier componente que se agrega durante la operación. Por ej ocurre cuando se agrega una base para el control de pH.
En procesos continuos ó fed – batch los gradientes ocurren también para otros componentes del medio, ej: cuando se agrega una fuente de carbono. Reología de los Caldos de Fermentación El patrón de flujo en un reactor tanque agitado se determina por el reactor y la geometría del agitador, la potencia de entrada al sistema y las propiedades del fluído. Reología es el estudio del flujo y la deformación de la materia. Un fluído se define como una fase material que no puede sustain fuerzas de corte, ej: fuerzas que actúen en una dirección tangencial a la superficie, (las fuerzas que actúan en dirección normal a la superficie son las fuerzas de presión). Un fluído responderá a fuerzas de corte deformándose continuamente, ej por flowing. La velocidad de corte, ?(seg-1) en un flujo de dos dimensiones se define como: ?= duy / dz donde Z es la dirección perpendicular a la dirección del flujo. Newton estableció que la resistencia (esfuerzo de corte) que se origina en un fluído, es proporcional a la velocidad por parte del fluído, que está siendo separado uno de otro (velocidad de corte). La viscosidad dinámica , ? (kg m / seg), de un fluído es una propiedad fundamental que relaciona la fuerza de corte, t(N / m2), con la velocidad de corte según: t= – ? ?
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