Proyecto Fin de carrera Diseño de una planta piloto para la producción de bioetanol Anexo 7

Transcripción

1 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 ANEO 7 BIORREACTORE 7. Aspctos básicos d los biorractors El quipo dond s raliza l procso s dnoina biorractor o frntador. El iso prov todos los srvicios qu son ncsarios para l cultivo, tals coo zclado, trostatización, suinistro d oxígno, ntradas para adición d nutrints, control dl ph, tc. or otra part, cuando s habla d sistas d cultivo o, tabién, étodos d cultivo, s hac rfrncia al odo d oprar dl biorractor, sto s n fora continua, discontinua o sicontinua. ara un coponnt cualquira dl cultivo, incluida la bioasa, s pud plantar l siguint balanc d atria n l biorractor. locidad d Acuulación locidad d Ingrso locidad d alida + locidad d Foración locidad d Consuo gún sa l odo d opración, s dcir, continuo, discontinuo o si-continuo, s tndrán unos térinos d la cuación u otros, así s plantarán los balancs dl procso. 7. lcción dl biorractor La utilización d células librs o inovilizadas n transforacions quíicas s un ára d gran intrés industrial por sus nors posibilidads industrials. Es frcunt l uso d colunas d rllno, ractors continuos provistos d sistas d agitación, d lcho fijo y tabién ractors d lcho fluidizado. Los critrios toados para la slcción y fora d opración son los siguints: Dificultad d rtnr a los icroorganisos n l intrior dl ractor. Dificultad d rutilización d las células usadas. Dificultad n antnr la actividad d los icroorganisos durant largos priodos d opración. Foración d spuas Control dl procso global diant los fnónos d transfrncia. Efctos lctrostáticos. Obturación dl sista con la consiguint dificultad n l antniinto dl flujo d ractants. En l disño dl ractor s dbn d tnr n cunta las siguints indicacions: lcción dl jor tipo d ractor para obtnr una cantidad rinada d producto dsado. Dtrinar l taaño óptio dl ractor o dl sista d racción. roycto Fin d carrra Biorractors ágina

2 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Establciinto dl jor étodo d opración: fijar las variabls d opración (prsión, tpratura, ph, coposición d la alintación, caudals dl ractor. En l caso ha studio l disño dl ractor no s basaría n scogr un tipo y un taaño rinado ya qu l ractor ya xist, sin bargo sí s podrán disñar las condicions d opración y foras d trabajar. fijarán los parátros coo la tpratura, ph, concntración d la corrint d alintación, l odo d oprar, n continuo, sicontinuo o discontinuo. Adás d fijar los caudals y l suinistro d oxígno. db d tnr n cunta la xistncia d ractors biológicos d alta tcnología qu harían auntar l rndiinto y disinuir los costs d fora uy iportant. Al usar un ractor sncillo y si adás s opra n discontinuo la ficincia global dl sista s bastant nor qu si s usan ractors d procsos avanzados. ro tabién la invrsión s nor coo la copljidad n los procsos convncionals. ólo dcir qu n st studio s coparará l odo d oprar n continuo, sicontinuo y n discontinuo usando un iso ractor, d tanqu agitado. Los datos ncsarios para l disño dl ractor son los siguints: Trodináica d la racción. Cinética dl procso n las condicions xprintals qu pudn sr d intrés. Datos físicos-quíicos d las sustancias qu intrvinn n l sista para l intrvalo d condicions n qu s spra oprar. roducción ncsaria. Tabién s ha d tnr n cunta la posibilidad d corrosión xistnt, aquí ntra l atrial d construcción dl ractor. Los datos cinéticos qu noralnt provinn d un studio ralizado a scala d laboratorio, qu indicarán con bastant xactitud l fcto d las variabls sobr la vlocidad d la racción, no dan inforación sobr cirtos problas a rsolvr a scala industrial, coo por jplo los fnónos d transfrncia d atria, variación n la concntración d las ipurzas n l rciclado, distribución ral d la tpratura dntro dl ractor y un largo tc qu no son ás qu todas las variabls qu d una fora u otra influyn n l sista d racción. or st otivo s ncsario contar con la inforación obtnida d una planta piloto qu srvirá para dostrar o vrificar la cuación cinética dsarrollada a scala d laboratorio. 7.3 Objtivos y disño d un frntador Los objtivos qu s arcan n la frntación stán rlacionados con la optiización d la producción d un producto spcífico gnrando l nor gasto nrgético posibl. A continuación s prsntan d fora ás prcisa tals tas. roycto Fin d carrra Biorractors ágina

3 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Obtnr alto rndiinto n l producto dsado. Es dcir, consguir la áxia convrsión d la atria pria y una alta slctividad para vitar l dsarrollo d raccions scundarias sin intrés industrial. Alcanzar alta productividad global qu s función d la vlocidad a la qu transcurr l procso. Obtnr la áxia concntración d producto y así disinuir los costs d sparación. han d tnr n cunta una sri d factors a la hora d disñar l ractor. Existn grands avancs n las técnicas d frntación. Los procsos convncionals n la producción d tanol son d nor ficacia qu los procsos altant tcnológicos. ro stos últios tabién son ás costosos. La ficacia d los procsos d frntación gnralnt stá liitada por causas coo una baja productividad dbido a una opración discontinua, o problas d inhibición por sustrato o producto. Tabién s v rstringida por una baja concntración clular. las liitacions por transfrncia d atria condicionan d anra considrabl la ficacia global, sobrtodo si s usan biocatalizadors inovilizados. Cuando s planta l probla d la lcción dl ractor s db studiar cuál d stos parátros influy ás n l procso. or llo dpndindo d qué factor hac auntar ás l rndiinto dl procso convndrá oprar con un tipo d ractor u otro, sa d zcla prfcta, flujo pistón, o stablcindo un odo d oprar, continuo, discontinuo, con rcirculación ara antnr la concntración d sustrato por dbajo dl nivl n qu s da la inhibición y al iso tipo consguir la concntración óptia d sustrato para qu s dé un procso fctivo convin l uso d ractors d zcla coplta. Cuando s rquir iniizar los fctos provocados por la inhibición causada por l producto s plantan dos stratgias difrnts: liinación dl producto obtnido a dida qu s stá forando; o sino consguir una configuración dl sista d racción n cuyo odlo d flujo tnga un coportainto próxio al d flujo n pistón. Cuando lo qu s dsa s auntar la concntración clular n l ractor s acud a los canisos antriornt dscritos, s dcir a la inovilización d las células. Adás d sta anra d auntar la concntración d bioasa s pud rcurrir a la rcirculación clular. En la práctica s sul rcurrir d fora ás habitual a la rcirculación. Cuando xistn liitacions por transfrncia d atria pudn dars dos caso, una s rfría al aport d sustrato n sistas inovilizados y la difusión dl oxígno. Otra sólo coprndría la jora d la transfrncia dl oxígno. En st caso sólo s tndrá n cunta fnónos d transfrncia d oxígno. sta transfrncia, coo ya s xplicará ás adlant, aunta con l uso d un bun sista d disprsión d gas (boquillas, difusors hacindo auntar l ára intrfacial o sino a través d las odificacions prcisas n l sista d agitación, s dcir, odlando la potncia a aportar para una bun contacto ntr las células y l oxígno disulto. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 3

4 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 En l caso xpusto n st proycto las células no qudaran fijas, s dcir qu srán librs n l oviinto, las liitacions por transfrncia d sustrato srán dsprciabls ya qu icroorganisos y nutrints zclaran hoogénant gracias a un sista d agitación. Adás la difusión d oxígno jorará. El probla rsid n la rutilización d la bioasa, para llo, s rcirculará la atria clular así s auntará la concntración d la isa. Existirá un aport d oxígno xtrior a través d un difusor y con coprsor. 7.4 Análisis d costs Los costs ás iportants n un procso d frntación son la atrias prias, los costs d capital (procsos d producción y sparación y los srvicios y suinistros (lctricidad, agua, El aprovisionainto y la prparación dl sustrato stán n función d la atria pria scogida para la producción dl iso producto. En l caso dl tanol, l uso d alidón d aíz gnra un cost dl 54% sobr los costs totals rspcto al 4% qu gnra la caña d azúcar cuando s usa para la producción dl tanol. La rducción dl prcio d la atria pria o una jora n l aprovchainto d ésta conllva a una rducción d los costs globals dl procso. Las unidads d frntación influyn d fora dcisiva n los costs globals ya qu l procso d dstilación prsnta los costs ás altos. ha d tnr n cunta qu l dsarrollo tcnológico prouv l aunto d la producción y para llo s construyn quipos qu pritn auntar la concntración clular. Las técnicas utilizadas son la inovilización, floculación, uso d ractors d branas... Todo sto s rfir a la stratgia d la rutilización d la atria pria. Tabién s aunta la producción diant un odo d oprar ficaz, coo l continuo o l Fd-Bach, s dcir, l sicontinuo. Estos aspctos ntran n la stratgia d la alintación. Los icroorganisos toan l carbono y la nrgía ncsaria dl dio acuoso n dond habitan. ro a dida qu avanza l procso st dio s hac ás hostil ya qu la concntración d tanol aunta y tin fctos altant inhibidors n la actividad d tals células. or llo s ncsaria la instalación d quipos d sparación d alta ficacia. Lo cual conllva a un aunto d costs d capital. Los costs rfridos al suinistro d nrgía o gasto d agua d la rd son los soportados n opracions d agitación y d calfacción dl ractor. Tabién l vapor d agua s considrado un cost ya qu su gnración s hac a través d calntainto diant aport d lctricidad y l gasto d agua. Estos costs son los rlativos a la agitación, calfacción y strilización. Adás d los sistas d bobo d agua y air. La rcupración dl producto tabién rprsnta un lvado cost d opración, sobrtodo si s usa la dstilación. or llo s stá conzando a usar otras técnicas ás conóicas coo la ultrafiltración, la ósosis invrsa, la adsorción o la xtracción. Estos étodos d sparación s dsarrollarán ás adlant. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 4

5 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo Balancs d atria y nrgía En l disño y análisis d un ractor biológico s ncsario conocr la cinética dl procso y l balanc d atria y nrgía aplicado al sista. Adás hay qu contar con la variación d las propidads d la bioasa sgún avanza l procso, ya qu s distingun divrsas fass sgún la concntración d sustrato, oxígno y producto. ara l dsarrollo d un odlo dináico dl sista s rcurrn las cuacions d la consrvación d la asa y d la nrgía. Balanc d atria ( Acuulación ( Gnraciónor Raccion + ( FlujoEntrada ( Flujoalida Esta cuación s aplica para cada coponnt dl sista, s dcir, para los icroorganisos, para l sustrato y para l tanol. Las liitacions por transfrncia s considrarán n principio dsprciabls y qu stas sólo toarán valor cuando s trat d procsos ntr difrnts fass. La cuación pud toar la siguint fora: d( Ci r i + ( Q C i Q s C is El prir térino d la cuación indica la variación d la concntración d un coponnt i rspcto dl tipo. Est térino rprsnta la acuulación. El sgundo térino s rfir a la gnración dl coponnt i dbido a la racción bioquíica dl sista. El trcro s la aportación dl coponnt i a través dl flujo nto convctivo d atria, s dcir, la difrncia ntr la ntrada y la salida. Esta cuación s siplifica sgún los odlos d ractor al cual s rfir. Balanc d nrgía d( ρ T C ( H r i + Q ρ C ( T T + q Dond l prir térino s rfir a la acuulación d nrgía n l sista, l sgundo s l qu indica la gnración d nrgía por racción bioquíica y l trcro a la difrncia d ntalpía ntr la ntrada y la salida dl sista. El cuarto s l caudal d calor suinistrado o rtirado dl sista dsd fura. En los procsos d frntación la transfrncia d calor s sncilla y no prsnta coplicación alguna. Las raccions biológicas qu s dan no gnran ucho calor. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 5

6 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Db d xistir un dispositivo d intrcabio d calor para lvar así la tpratura d opración y llgar a la óptia. Estos quipos suln sr sncillos. El disño d éstos s dsarrollará n un apartado postrior. Las cuacions d balanc d atria y nrgía s darán para los distintos coponnts dl sista. 7.6 Ractors d tanqu agitado Los ractors d tanqu agitado son un tipo d ractors dond s consigu hoognizar la zcla contnida n él, hacindo qu todas las variabls, concntración, tpratura, ph, prsión san iguals para cualquir punto dl dio contnido n l tanqu. La concntración final, o d salida db sr igual a la concntración d la zcla d dntro dl ractor. Fig. 33 Ractor d zcla prfcta En la figura 33 s pud vr l funcionainto dl tanqu agitado. El air s inycta por la part infrior dl tanqu y s distribuido por una corona qu pos pquños orificios spaciados rgularnt. El chorro d air qu sal d cada orificio s golpado por las paltas d la turbina infrior gnrándos d st odo ils d pquñas burbujas d air, dsd las cuals difund l 0 hacia l sno dl líquido. El sista d agitación s coplta con cuatro o sis dflctors qu tinn por finalidad cortar o ropr l oviinto circular qu roycto Fin d carrra Biorractors ágina 6

7 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 iprin las turbinas al líquido, gnrando d st odo ayor turbulncia y jor zclado. El tanqu stá rodado por una caisa por la qu circula agua, lo qu prit controlar la tpratura. ara tanqus ayors qu 000 ó 000 litros st sista ya no s ficint y s rplazado por un srpntín qu circula adyacnt a la pard intrior dl tanqu. Db tnrs n cunta qu a dida qu s ayor l volun d cultivo tabién lo s la cantidad d calor gnrado por lo qu s hac ncsario una ayor ára d rfrigración. Los tanqus son d acro inoxidabl y stán pulidos a fin d facilitar la lipiza y postrior strilización. El air qu ingrsa al biorractor db star stéril, lo qu s consigu haciéndolo pasar por un filtro cuyo diátro d poro s d 0,45 icrons, qu ipid l paso d icroorganisos y sporos. Es l tipo d ractor ás plado a scala industrial y srá l qu s utilic para la producción dl tanol. pud oprar d trs foras: d fora discontinua, discontinuo alintado (fd- Bach y d fora continua. Las dos priras anras d oprar dan procsos no stacionarios d priodos cortos. La opración n continuo trabaja n stado stacionario xcptuado los priodos d arranqu y parada dl ractor, n algunas dsstabilizacions qu pudan dars. 7.7 istas d cultivo n discontinuo (Batch El ás tradicional y ás usado s l ractor discontinuo. pla usualnt n la industria faracéutica, alintaria y biotcnológica. Al sr l tipo d opración corto n rlación con l continuo, s pud asgura d fora fácil las condicions asépticas durant todo l procso d racción. Las principals dsvntajas son: la pérdida d rndiinto dbido a los priodos d arranqu y parada, la falta d hoognidad dl producto obtnido n cargas conscutivas y la dificultad d iplntación d squas d intgración nrgética. Estos tipos d ractors opran con una baja concntración clular, sobrtodo n l instant inicial dond los icroorganisos prancn n fas latnt. por st otivo s ha d controlar la concntración d nutrints n l sustrato ya qu sino s podía ralntizar l procso d frntación. Adás l procso global s ás lnto qu si s opras d fora continua ya qu al no habr rtirada d producto ni aport d nutrints, n los instants finals dl procso las condicions dl dio son hostils, alta concntración d tanol y baja concntración d nutrints. Al dars fnónos d inhibición la frntación tard n copltars. En un ractor biológico discontinuo l caldo d nutrints y la cpa s introducn conjuntant n l instant inicial. A partir d s onto no xistn corrints d ntrada ni salida dl ractor. ólo habrá ntrada y salida d gass (oxígno, dióxido d carbono y s adicionará antispuants y rguladors dl ph. El ractor s zclará d fora coplta sindo así la concntración d cada coponnt n un rinado tipo s constant con la posición dntro dl ractor. Al finalizar l procso, cuando s ha llgado a una convrsión fijada, la concntración a la salida d cada coponnt srá la isa n l intrior dl ractor. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 7

8 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 El balanc d atria s v odificado ya qu los térinos d ntrada y salida s anulan. ( Acuulació n ( Gnraciónor R acción La cuación d balanc para l crciinto icrobiano srá: d( r Coo l volun dl ractor s constant, intgrando la cuación s haya l tipo ncsario para lograr un rinado crciinto clular. t d r Cuando l balanc s aplica al sustrato y l volun pranc constant s tin l siguint tipo d frntación para obtnr una rinada convrsión: d t r + r La vlocidad d consuo d sustrato dpnd d la vlocidad d crciinto d bioasa y d la vlocidad d producción dl tanol. Es dcir, l sustrato s plará para producir ás icroorganisos y adás para la obtnción dl producto. La cuación tin signo ngativo para indicar qu l sustrato dsaparc con l tipo. Aplicando l balanc para l producto s tin la siguint cuación qu rprsnta l tipo d opración ncsario para producir una cantidad rinada d producto. d t r i s supon una cinética tipo Monod las cuacions antriors qudan d la siguint fora: r d K + abindo qu antrior, s tin: d y ultiplicando su invrsa a abos lados d la cuación d r d c.* K + Asuindo qu l rndiinto d sustrato n bioasa pranc constant n la zona d aplicación s tin: + + roycto Fin d carrra Biorractors ágina 8

9 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Esta cuación prit valuar l crciinto d bioasa n función al consuo d sustrato. i s xprsa n función d y s intgra la cuación * s obtin l tipo d frntación ncsario para rducir la concntración d sustrato a un rinado valor, fijado por l disñador. + ( ( + ( + K Ln( K Ln ( + t ha d tnr n cunta qu no todas las células s ncuntran n la isa fas d su crciinto. i s considra qu sólo las células viabls ( v gnran otras células urtas ( d sgún una cinética d prir ordn, s tin: d d k d La concntración d células viabls vin dada por la cuación: d k d l crciinto d la población clular s podrá xprsar así: d d( + T d En la tapa xponncial dl crciinto la vlocidad spcífica s constant, ntoncs la concntración d células viabls s podrá calcular para todo instant d tipo, dntro d tal priodo xponncial, a través d la siguint igualdad: 0 ( K t d 7.8 istas d cultivo n discontinuo alintado (fd-batch En los ractors si-continuos s sustrato s alintado n cargas sucsivas y l producto no s rtira hasta finalizar l procso. Esto indica qu l volun dl dio d racción va variando confor avanza l procso. Esta anra d oprar hac posibl l control d la concntración d nutrints n l dio, y así s da una jora n l rndiinto rspcto al odo d oprar dl ractor discontinuo. La variación d la adición d sustrato pud star condicionada por una stratgia qu haga auntar la producción dl tanol o toando coo critrio la dida d difrnts variabls coo la concntración d producto, sustrato, l ph, l oxígno disulto El control d la concntración d sustrato, sindo ést liitant, rsulta d intrés para los casos n qu s quir controlar l crciinto clular o para la obtnción d producto dpndint d una rinada concntración d sustrato. sul usar para la producción d lvaduras d pan y antibióticos. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 9

10 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Es sustrato s va añadindo a dida qu s va consuindo y s antin su concntración n valors qu pritan alcanzar vlocidads d racción acptabls, buscando un quilibrio ntr l aunto d vlocidad por incrnto d concntración d nutrints y disinución causada por la inhibición dl tanol. La adición dl sustrato pud fctuars n fora cíclica o n continuo. Balanc d atria rsultant: d( Ci ri + Q C i i s considra qu la dnsidad dl fluido n l ractor y n la corrint d ntrada son iguals, sto ocurr así cuando la dnsidad clular no s uy lvada, s pud dcir qu n sistas con alintación continua l caudal alintado s igual a la variación d volun con l tipo, y s pud xprsar d la siguint fora: d Q dc i + C i d r i + Q C i dc i + C i Q r i + Q C i dc i r i Q + ( Ci Ci Aplicando la cuación para la bioasa s tin: d Q Χ Χ para l sustrato: 7.9 Ractor continuo d tanqu agitado d Q ( Χ En gnral los ractors continuos d tanqu agitado son quipos cilíndricos con un sista cánico d hoognización, coo la agitación dond s garantiza qu la coposición s la isa n cualquir punto dl ractor. on llaados quiiostatos. La fora d oprar continua indica qu xist una corrint d ntrada y otra d salida d tal odo qu l volun d líquido n l intrior dl ractor pranc constant. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 0

11 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Las vntajas ás iportants n la opración n continuo s l aunto d la productividad dond s ahorran costs d capital, la rducción d los costs d opración, s dcir, la ano d obra y la nrgía y l logro dl control dl procso. Estas vntajas s hacn ás vidnts n procsos a gran scala. i s considra qu l sustrato s l coponnt liitant s pud dcir qu la vlocidad voluétrica d crciinto s y si la opración s da n régin stacionario, obviando los priodos d arranqus y parada, la acuulación s hac cro. Adás hacindo los caudals d ntrada y d salida iguals l balanc d atria qu s tin s l qu s dsarrolla ahora, aplicado a la bioasa: r + Q ( 0 gún l odlo d Monod: r Χ sabindo qu l tipo d rsidncia s: ϑ Q qu la invrsa dl tipo d rsidncia s la vlocidad d dilución, ntoncs la cuación antrior s pud xprsar d la siguint anra: Χ ( D ( ϑ Rordnando: ( D Χ D En la ayoría d los casos la alintación al ractor s stéril, s dcir, su concntración d bioasa a la ntrada s nula, 0. gún sto s obtin: D Es dcir, la vlocidad d crciinto spcífica s igual a la d dilución. i s aplica l balanc d atria al producto s pud obtnr l valor d la productividad global, s dcir, la vlocidad con qu s gnra l producto, n función dl caudal d opración y dl producto obtnido: r D ( Noralnt la concntración d producto n la corrint d alintación d sustrato sul sr nula, 0. sab qu r oducto r oducido CrciintoMicrobiano g / ol g / ol r D Χ Esta cuación rlaciona la productividad global con la vlocidad spcífica d crciinto. roycto Fin d carrra Biorractors ágina

12 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Aplicando l balanc para l sustrato, considrando qu la vlocidad d consuo dl sustrato s igual a la sua d la vlocidad d crciinto clular y d producción d tanol, y si adás s introducn los concptos d rndiintos antriornt xpustos, s tin la siguint cuación d balanc: ( D r r r +. Modlo d Monod para l quiiostato i s considra qu l crciinto clular sigu una cinética tipo Monod s pud odlizar l coportainto d un quiiostato n régin stacionario (Acuulación nula Bioasa ( 0 ( + + D K D ustrato ( 0 ( ( + r K D roducto ( 0 ( ( + + K D Las variabls, y dfinn l stado dl procso. D,, y son variabls qu s fijan dsd l xtrior, n l caso d y sus valors s suln anular ya qu s dcid qu a la ntrada dl caudal d alintación la concntración d icroorganiso y tanol san nulas., K s, / / son parátros cinéticos y stquioétricos caractrísticos dl procso. Es dcir, s pudn ncontrar tabulados dadas unas condicions d opración prcisas. Con todo sto, las cuacions antriors s pudn rsolvr si los valors a la ntrada d producto y d células son cro (alintación stéril, y con llo s obtinn las siguints xprsions: D K D c. roycto Fin d carrra Biorractors ágina

13 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 D K D Q D indo, y las concntracions d bioasa, sustrato y producto n l intrior dl ractor. D Fig. 34 Cultivo continuo. Concntración d bioasa y d sustrato liitant n stado stacionario a distintos valors d D. arátros: h -, x/s 0,5, K s 0,05 g/l 5 g/l ara caudals bajos la vlocidad d dilución (D tind a cro y coo conscuncia la concntración d sustrato n l intrior dl quipo s hac uy pquña ( 0. or lo contrario la concntración d bioasa aunta haciéndos áxia. A dida qu aunta la vlocidad d dilución (D la concntración d sustrato n l ractor va auntado, sto s traduc n una nor convrsión dl sustrato. Cuando la vlocidad d dilución s iguala a la vlocidad spcífica d crciinto d las células (D s da un fnóno iportant: l lavado dl ractor. En st punto l flujo d bioasa hacia l xtrior (D s ayor al flujo aportado por l crciinto clular ( ya qu <. por tanto s produc un dscnso considrabl n la concntración d bioasa n l ractor. Atndindo a la cuación d balanc para la bioasa s tndría un valor infinitésio d icroorganisos. La concntración clular sría prácticant nula. Tabién la concntración dl producto sría uy pquña ya qu la vlocidad d dilución s áxia. En st caso, si los rndiintos / / son constants, la volución d la concntración d bioasa y d producto son siilars y sus curvas parallas. Oprar crca d las condicions d lavado s bnficioso ya qu la productividad s hac áxia, pro a la vz s arrisgado ya qu cualquir cabio n las variabls dl procso (tpratura, concntración d ntrada d sustrato, caudals pudn llvar a la fatalidad, s dcir, al lavado dl ractor y hacr así la concntración d bioasa nula. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 3

14 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Es dcir, oprando n un punto próxio al crítico s consigu áxia productividad clular y d producto. Igualando a cro l valor d la concntración d bioasa n l ractor, n la c. s pud calcular l valor crítico d D, l cual no db suprar: DC K + ara controlar qu la vlocidad d dilución no llgu al valor crítico s ha d cuplir n todo punto dl ractor D <. El valor d D qu axiiza la productividad s l siguint: 0,5 K D K +. Régin no stacionario i s opra n régin transitorio, l térino d acuulación s ha d incluir n las cuacions d balanc y s tndrá un sista d cuacions difrncials coo l qu s prsnta a continuación: ara la bioasa (: ara l sustrato (: ara l producto: d D ( Χ d r D( d D ( r 7.0 Ractors continuos d tanqu agitado conctados n sri La asociación d ractors d tanqu agitado conctados n sri s vntajosa cuando la cinética dl procso biológico s inicialnt autocatalítica y su coportainto postrior cabia a stado stacionario hasta trinar n la fas d la urt clular. Tabién rsulta intrsant su uso n los casos n dond l producto actúa coo inhibidor. La configuración n cascada prit una jor airación adás d la variación d las condicions n tapas sucsivas. El prir ractor d una configuración n sri, s siilar al ractor qu opra d fora continua n solitario. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 4

15 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Fig. 35 Ractors zcla prfcta n sri La concntración d sustrato a la ntrada dl sgundo ractor,, considrando qu la alintación al prir ractor stuvis xnta d tanol y d icroorganisos, s calcula igual qu n l ractor d tanqu agitado solitario: 0 D K D La concntración d bioasa n la corrint d ntrada al sgundo ractor,, s calcula d igual anra qu cuando s tnía un solo ractor: D K D D s la nuva vlocidad d dilución dl sgundo ractor. i los volúns d todos los ractors son iguals, coo l caudal pranc constant s cupliría qu todas las vlocidads d dilución son siilars. Ralizando un balanc d atria dn l sgundo ractor, incluyndo l térino d acuulación, s dcir, hacindo l balanc n régin transitorio s tin: d Χ + Q ( si s considra qu s opra n régin stacionario, l térino d acuulación s anularía y s podría dspjar la concntración clular n l intrior dl sgundo ractor: D D i l rndiinto n l sgundo tanqu pranc constant d la antrior cuación s pud obtnr la concntración d sustrato n l sgundo ractor: D + ( i s asu qu l icroorganiso sigu una cinética d Monod s pud rinar la concntración d sustrato n l sgundo ractor a través d las condicions d opración hidráulica (D, D, n función d la tpratura, la cual afcta sobr los coficints cinéticos (, K s y sgún la concntración d ntrada d nutrints al prir ractor ( Así s llga a una cuación d sgundo grado con dos solucions, dond una srá la ral. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 5

16 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 ( D D + D D K D K + D D K D Otra anra d xprsar la concntración d bioasa n l sgundo ractor s a través dl concpto d rndiinto clular, si ést pranc constant d ractor a ractor. ( Est procdiinto s pud xtndr para un núro N d ractors n sri. i s considra qu n l procso d frntación s pud caractrizar por una sola variabl, coo lo s la concntración d sustrato o d bioasa, a partir d los datos cinéticos d productividad d tanol rsultado a partir d la opración n un ractor discontinuo d tanqu agitado, s podría obtnr l núro d tapas ncsarias para alcanzar una rinada convrsión d atrias prias. El étodo usado sría gráfico y sncillo. trata d trazar una rcta d pndint la vlocidad d dilución (D a partir dl valor inicial d concntración d sustrato (, sta rcta cortará a la curva cinética d la gnración d producto o crciinto icrobiano. En l punto n dond corta indicará la concntración d salida d sustrato ( dl prir ractor, s hallará trazando una rcta vrtical hacia abajo. i s supon qu l taaño d todos los ractors n sri son iguals, D constant, ntoncs las rctas d opración srán parallas. A partir d s traza una rcta d pndint D y s haya la concntración s sustrato a la salida dl sgundo ractor, y así sucsivant hasta llgar a agotar tal concntración y dar con la convrsión rqurida. D sta fora s calcula l núro d ractors ncsarios para llgar a una rinada ficacia. Fig. 36 Núro d tapas d racción ha d tnr n cunta qu al suponr un solo coponnt liitant s stá siplificando d anra uy considrabl ya qu n uchos procsos la productividad y l propio crciinto clular dpnd d una infinidad d variabls y factors. Est étodo sólo prtnd dar un valor aproxiado dl núro d tapas, s sólo una stiación para l disño prliinar. El disño dfinitivo dl procso db star basado n xprintos n laboratorio y n planta piloto. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 6

17 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 7. Ractors continuos d tanqu agitado con rcirculación clular Esta configuración conllva la adición d un quipo d sparación, ya qu para auntar la concntración clular rutilizándola s dbrá d sparar prviant una vz qu sal dl ractor. Una part d la corrint d salida dl ractor s introduc n un quipo d sparación d bioasa, coo pud sr un cntrifugador, una coluna d dcantación, a través d ultrafiltración, o cualquir opración d sparación qu sa apropiada. La concntración clular dl ractor s pud controlar a través dl caudal d purga d icroorganisos. Fig. 37 Ractor d zcla coplta con rcirculación El balanc d atria para la bioasa s l qu sigu: d + ( Q + QR R ( Q + QR Q Q Noralnt s cupl la siguint dsigualdad: Q << QR R a qu la concntración d icroorganisos d la corrint d ntrada sul sr nula porqu la alintación s stéril. i s xprsa l caudal d rcirculación n función d la tasa d rcirculación y s supon qu l régin d circulación s l stacionario, la cuación d balanc quda d la siguint anra: Q R R Q 0 + R Q R Q ( R i s divid ntr l volun ( todos los térinos d la cuación y sabindo qu la Q vlocidad d dilución s D, d la cuación antrior s tin: D R R la concntración d bioasa n l ractor s la siguint: R D R D + D R roycto Fin d carrra Biorractors ágina 7

18 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Coo s v, la concntración clular n l intrior dl tanqu s pud variar sgún la tasa d rcirculación. Tabién dpnd d la vlocidad d dilución y d la ficacia dl sista plado para la opración d sparación d la bioasa. La vntaja principal d st odo d oprar s qu s pud llgar a vlocidads d dilución ayors sin sobrpasar los líits d lavado. La concntración clular n la corrint d rcirculación sipr srá ayor qu la xistnt n l intrior dl ractor, s dcir s cupl la siguint dsigualdad con l conscunt fcto: R R R > > R < D > Al sr D > iplica qu s pud oprar a vlocidads d dilución ayors qu la spcífica d crciinto, así los caudals d opración pudn sr ayors y hacn auntar la productividad global voluétrica dl sista. Adás d vitar los risgos drivados por la opración próxia al punto crítico dond cualquir instabilidad dl sista provocaba l lavado dl ractor. Balanc para l sustrato d Q + QR R Q0 r Coo: r r + + r r upusto régin stacionario, la acuulación s cro. ( ( r Q + R R Q + R + 0 i s divid la antrior cuación ntr R D + Di si s aplica l balanc d atria para l producto rsulta: d Q Q r i s considra qu s stá n stado stacionario, adás d tnr n cunta qu la sparación d la corrint d salida n dos no influy sobr la concntración, s tin: R Dividindo ntr, D ( + r 0 r roycto Fin d carrra Biorractors ágina 8

19 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Tipo d rtnción clular (θ C : dfin coo la rlación ntr l contnido d bioasa n l ractor ( y la salida nta d bioasa dl sista, qu s la producción nta (salida + purga ntrada θ C Q + Q Q Noralnt la alintación s stéril y ntoncs s da la siguint dsigualdad: Q << si la ficacia dl quipo sparador s buna, s cupl: W W Q << QW W Entoncs l tipo d rtnción clular s pud dfinir coo: θ C Q W W El tipo d rsidncia n l ractor s xprsa coo la siguint cuación: ϑ Q Q ( 7. Aración, agitación y strilización 0 + R La scala d distancias clular s uy difrnt d la scala n un ractor biológico, ya qu las distancias ntr las células, nutrints y productos (tabolitos son ucho ayors. or sta razón los fnónos d transport d atria toan tanta iportancia stos tipos d procsos, hasta afctar a la vlocidad global dl procso ás aún qu la vlocidad d racción. Los fnónos d transport cobran ás iportancia si s trabaja con células inovilizadas qu si s usan células librs, ya qu n l prir caso la difusión d tabolitos, productos y oxígno s v liitada por l soport d inovilización. D todas foras, n todo procso s dbn considrar los fctos d los fnónos d transport ya qu al xistir ás d una fas n l sista, s ha d studiar la transfrncia d atria ntr llas y sus liitacions. ha d tnr n cunta los problas d transport d atria, cantidad d oviinto y nrgía a la hora d auntar la ficacia d un sista. En los cultivos arobios s ha d suinistrar oxígno y sto conllva una buna transfrncia d atria ntr las fass para consguir una buna aración y auntar l crciinto clular. La agitación n los ractors d zcla coplta son los rsponsabls dl transport d cantidad d oviinto. la strilización térica s un caso d transisión térica. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 9

20 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 Adás si s quir llvar al ractor a una tpratura coprndida ntr 30 y 37 ºC, qu s la óptia para la frntación d la glucosa, s ncsitará un sista d calntainto. i usaos un sista indircto, coo l paso d agua por la caisa dl ractor a una tpratura tal qu haga qu l intrior sté dntro dl antrior rango d tpraturas, s dbrá considrar fnónos d transfrncia d calor ntr las pards dl ractor con l agua circulant d la caisa. pudn coparar las productividads áxias d abas células diant l uso d glucosa coo funt d carbón: En l caso d la lvadura s obtin 8 g/lh d tanol, y para la bactria 0 g/lh. Adás tabién s ha coprobado qu la vlocidad d foración d tanol s,9 vcs ayor, dida n g/gh. tabién la vlocidad d toa d glucosa s suprior n l caso d la bactria. db dcir qu la bactria d tipo Zyoonas obilis tapoco s capaz d sinttizar los azúcars d cinco carbonos. Esto no s probla ya qu s pud usar la ingniría bioolcular para cabiar l taboliso d tals icroorganisos y hacrlos ás ficints. Aración Dbido a la baja solubilidad dl oxígno n l dio d cultivo, n los procsos arobios s ncsita d una buna aración. La concntración d saturación d oxígno n condicions norals d cultivo s d aproxiadant unos 0 g/l, una concntración baja insuficint para abastcr a un cultivo arobio. or llo s db suinistrar oxígno d fora continua al ractor y así asgurar la actividad clular. Est oxígno db transfrirs dsd la fas gas hasta la fas líquida, y n sta últia sr utilizado por los icroorganisos qu s ncuntran n l dio. La fas gas s la burbuja d air qu va ascndindo por l ractor, ya qu la corrint d air introducida a ést s dbrá d hacr por la part infrior, así rcorrrá todo l ractor y s asgurará la transfrncia a la fas líquida, qu srá la disolución n l dio d cultivo. La cuación básica qu dscrib st fnóno d transfrncia d atria srá la siguint: N k ( C C [5] O L L i Dond No s la dnsidad d flujo d oxígno ntr fass, (ols/s C L s la concntración d oxígno n la fas líquida (ols/l C i s la concntración d oxígno n la intrfas (ols/l k L s un coficint individual d transfrncia d atria ntr fass. La cuación 5 s pud scribir usando un coficint d transfrncia d atria global y así sustituir la concntración d oxígno n la intrfas por la concntración d oxígno n l quilibrio, s dcir, la concntración d saturación dl oxígno. El rsultado s l siguint: roycto Fin d carrra Biorractors ágina 0

21 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 N * K a( C (c. ' O L L C indo K L un coficint d transfrncia global, a s la rlación ntr l ára intrfacial y l volun d ractor ( intrfas/ 3 ractor C * s la concntración d oxígno n la fas líquida corrspondint a la saturación. El uso d coficints globals tin su razón n qu así s vita l cálculo d la concntración d oxígno n la intrfas, ya qu sto s difícil d hallar. in bargo no s difícil calcular la concntración d oxígno n l quilibrio. ara calcular l consuo d oxígno por part d la bioasa s usa l concpto d vlocidad spcífica d consuo d oxígno, qu s l oxígno consuido por unidad d bioasa y d tipo. ara un régin stacionario s ha d cuplir la siguint cuación: ' N O Q Os (c.3 Es dcir qu las vlocidads d transfrncia d oxígno y l consuo d ést son iguals. s la concntración clular (ols bioasa/l y Q O s la vlocidad d consuo dl oxígno (ols O /ols bioasa s. Coo / O ntoncs la c.3 qudaría d la siguint fora: Q O K La( C L C * (c.4 / O Esta cuación s uy iportant ya qu rlaciona la capacidad dl ractor d transfrncia d oxígno con la vlocidad d crciinto clular coo conscuncia dircta. or llo s d vital iportancia hallar l coficint global d transfrncia. u valor indicará la ficacia d aración. La rinación dl coficint ha d sr xprintal y s ha d llvar a cabo n unas condicions rinadas dl cultivo. u valor dpndrá furtnt d las condicions d opración, sobr todo influirá l régin d circulación dntro dl ractor. La rinación dl coficint global d transfrncia s hac a partir d un sncillo balanc d oxígno: dc K L a C C Q * ( O Dond l prir térino corrspond a la acuulación, l sgundo al flujo d oxígno hacia la fas gas y l trcro al consuo por part d los icroorganisos. La obtnción dl coficint s hac usualnt a través d étodos dirctos durant l procso d frntación. El balanc d oxígno podría scribirs d la siguint fora: roycto Fin d carrra Biorractors ágina

22 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 dc Q E C E Q C Q O s l volun dl ractor, Q E/ son los caudals d gas (air u oxígno a la ntrada y a la salida rspctivant, C E/ son las concntracions d oxígno n los caudals d ntrada y salida rspctivant. El térino corrspondint a la acuulación s anula cuando l ractor llga a régin stacionario. Es dcir, todo lo qu ntra sal o s consu. Entoncs n stado stacionario tnos la siguint cuación: Q C Q C Q (c. 6 E E O Cobinando las cuacions 3 y 6 y considrando qu l caudal pranc constant, Q Q E Q s tin lo siguint: K L a Q ( C E * ( C C C Mdiant l uso d analizadors d gass s pud dir la concntración dl oxígno n l caudal dl gas. ara los casos n qu l volun dl ractor sa grand s ha d considrar cabios iportants d la concntración d saturación dl oxígno a difrnts alturas, coo los dos xtros dl ractor. tndrán n cunta las concntracions d saturación n la suprfici y n l fondo dl ractor, ya qu dbido a las difrncias iportants d prsión provocadas por la coluna d líquido pud xistir bastant variación. or so, para l gradint (C * - C s toará l valor d la dia logarítica. Los parátros qu afctan al coficint d transfrncia d atria son todos aqullos qu son capacs d odificar la vlocidad global d transfrncia, ya sa jorando las condicions d circulación o l ára fctiva d transport. El caudal d air suinistrado al ractor coprnd valors d ntr 0,5 y,5 volúns d air por volúns d ractor y inuto. La vlocidad suprficial d una burbuja d air s l caudal d gas dividido ntr l ára transvrsal dl ractor, si s aunta ucho l caudal, sta vlocidad srá ayor y coo conscuncia l tipo d rsidncia d tals burbujas d air n l tanqu srá nor insuficint para consguir una buna aración. or st otivo, l caudal d air suinistrado tabién influy n l coficint d transfrncia d oxígno ya qu al auntarlo disinuy l tipo d rsidncia y con llo tabién lo hac la transfrncia d oxígno. Adás hay qu tnr n cunta qu si aunta ucho la vlocidad d burbujo s pud producir la cavitación dl sista cánico d agitación, n l caso n qu lo hubis. ara jorar considrablnt la transfrncia dl oxígno a la fas líquida s acud a sistas con agitación. roycto Fin d carrra Biorractors ágina

23 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 La agitación aunta l ára d transfrncia por la aparición d burbujas d pquño taaño qu s disprsan por l líquido auntando así su tipo d rsidncia n l ractor. Con una buna agitación s llga al régin turbulnto y así s disinuy l grosor d la plícula líquida n la intrfas gas-líquido y s favorc la difusión dl oxígno. Ésta dja d sr una difusión olcular para pasar a sr una difusión turbulnta, ucho ás ficaz. El grado d agitación stá rlacionado con la potncia consuida xprsada por unidad d volun d ractor. Existn corrlacions para tanqus agitados qu pritn stiar l valor dl coficint d transfrncia sgún l taaño dl ractor y d las caractrísticas dl dio d cultivo. Estos dpndn d los valors d la viscosidad. La siguint corrlación prsntada por Blanch y Clark para dios d baja viscosidad: g x y K La,60 ( s g potncia absorbida n un sista arado (W volun d líquido n l tanqu ( 3 s vlocidad suprficial dl gas (/s x coficint d valor 0,4-0,7 para disprsions claras y dios turbios rspctivant y coficint d valor 0,5-0, para disprsions claras y turbias rspctivant. K L a (s - El valor d g/ stá dntro dl rango w/ 3. ara dios viscosos s tin una corrlación ás coplja, dond l cálculo s hac diant núros adinsionals y ntra n jugo l diátro dl ipulsor, la tnsión suprficial, la vlocidad d agitación y la difusividad dl oxígno. K L D ad o 0,06( ρd ap o 0,5 apν s ( σ 0,6 D Nρ ( ap,5 DN ( g 0,9 DN ( ν s 0,3 D diátro dl ipulsor D O Difusividad dl oxígno ap iscosidad aparnt ν s vlocidad suprficial dl gas σ tnsión suprficial N vlocidad d agitación ρ Dnsidad dl líquido g gravdad Adás dl grado d agitación y d la vlocidad suprficial d la burbuja d gas, xistn otros factors qu afctan al coficint d transfrncia tals coo la viscosidad, la xistncia d spuas y d antispuants. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 3

24 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 La viscosidad dl dio va variando confor avanza l procso d frntación, haciéndos ás viscosa y dificultando la transfrncia, sobrtodo si s da la foración d agrgados d la bioasa. Así l dio pud djar d tnr un coportainto nwtoniano. Un alto grado d agitación y aración sul producir spuas. Las spuas s foran a causa d la prsncia d oléculas con propidads tnsoactivas (péptidos Las spuas rducn la transfrncia d oxígno por dos causas: Las burbujas pudn sr atrapadas por las spuas y sr rcirculadas d tal fora qu s aunta l tipo d rsidncia considrablnt. Esto a prira vista podría parcr bnficioso pro al auntar dasiado l tipo d pranncia n l sista s tin burbujas con uy bajo contnido d oxígno, son burbujas agotadas. Adás su acuulación ntr la suprfici dl líquido y la fas gasosa actúa coo una barrra física para l paso d oléculas d oxígno d una fas a otra. La foración d spuas s un fnóno a vitar ya qu rduc la transfrncia y tabién provoca problas opracionals provocados por la salida d éstas por los conductos d air. La adición d antispuants tin dos fctos contrarios, uno qu favorc la transfrncia y otro qu la disinuy. Los antispuants son sustancias tnsactivas, por sta razón auntan la suprfici intrfacial (a, / 3 d frntador ro tabién disinuy d fora drástica l coficint K L dbido a la acuulación d tnsoactivos n la intrfas. El fcto global sobr l coficint d transfrncia K L a s noralnt ngativo. Otro factor a tnr n cunta para jorar la transfrncia s l tipo d burbujador plado. Ést influirá dirctant n l taaño d las burbujas y coo conscuncia n l valor dl coficint d transfrncia. ara rsuir los parátros qu ás afctan al valor dl coficint d transfrncia K L a son los siguints, n ordn d iportancia: Agitación, viscosidad dl dio, caudal d gas suinistrado, antispuants y tipo d burbujador. prtnd un alto coficint para así jorar la aración dl cultivo y obtnr un alto rndiinto n l crciinto clular. En dfinitiva hay trs fctos por los cuals una buna airación favorc l rndiinto: El libr y constant abastciinto d oxígno para las células n l caldo nutritivo hará auntar l crciinto d éstas. La airación liina d fora rápida la prsncia dl dióxido d carbono, ést aún sindo n pquñas concntracions tin un gran fcto inhibidor. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 4

25 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 consigu antnr n suspnsión las células por l prannt burbujo y así s rnuva constantnt la zona d contacto ntr ka brana clular y l sustrato. Agitación La agitación s pud dfinir diant la rlación xistnt ntr la potncia consuida por l sista y las variabls d opración. La potncia absorbida durant la agitación d un caniso s rprsnta a través dl núro d potncia N p. Est núro adinsional dpndrá d si l sista stá airado o si no lo stá. potncia absorbida por l agitador ρ dnsidad dl líquido N vlocidad d agitación D diátro dl ipulsor N ρn 3 D 5 El núro d potncia s pud corrlacionar con ódulos adinsionals qu dscribn l oviinto dl líquido n l intrior dl tanqu, tals coo s l núro d Rynolds para la agitación: Dond viscosidad dl líquido. ρd N R La rlación ntr los dos núro s pud hac usando la curva d potncia, qu s rprsnta gnéricant d la siguint fora: N b R x indo b constant qu dpnd d la gotría dl tanqu, x xponnt n función dl régin d circulación y tipo d ipulsor. Los tipos d ipulsors ás couns son los siguints: La turbina d disco (Rushton, la turbina d palas planas y la hélic. gún l régin d circulación s tndrá una rlación u otra. ara R < 0, Régin Lainar, l N p disinuy con l R y la rlación s la qu sigu: b N R la potncia suinistrada al fluido b N D 3 ara 0 < R < 000 s tin una zona d transición dond la curva qu rlaciona l N p y l R dpnd d la gotría dl tanqu adás d las condicions d opración. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 5

26 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 En l caso d R > 0000 l régin s turbulnto y R no influy prácticant nada sobr l N p. Las curvas s hacn planas n s trao y la potncia absorbida s calcula d la siguint fora: bρn D 5 La introducción d air a un ractor agitado hac disinuir las ncsidads d la potncia suinistrada. Esto s a causa d la rducción d la dnsidad y d la viscosidad d la fas líquida sobrtodo n la zona ás próxia al ipulsor por la prsncia d burbujas d gas. La agitación n sistas airados s sirv d un parátro llaado hold-up o rtnción (ε g d la fas gas, qu s dfin coo l cocint ntr l volun d gas n l ractor y l volun tota (gas + líquido g ε g + El fluido s una disprsión d burbujas, así qu l líquido tndrá una dnsidad ρ g, qu s nor qu si no xistisn tals burbujas (ρ. ρ g < ρ s rlacionan diant la siguint cuación: g l ρ g ρ ε ( g La dfinición d N p quda odificada d la siguint fora: g N ρn 3 D 5 Dond g s la potncia absorbida por l sista airado y ρg la dnsidad aparnt. Rlacionando las cuacions antriors rsulta: g ρ g ρ ( g ε Mdiant sta cuación s calcula la disinución d potncia dbida a la aración. Esta disinución s v afctada por todas las variabls qu altrn l valor d ε g, coo pud sr la vlocidad d agitación, l taaño d burbuja, l tipo d agitador, la tnsión suprficial, la viscosidad, ara stiar las ncsidads d potncia n un sista airado s hac uso d un ódulo adinsional llaado ódulo d airación (N a. Est ódulo s dfin coo l cocint ntr la vlocidad suprficial dl gas y la vlocidad tangncial n l xtro dl ipulsor. El valor d Na indica l grado d disprsión d las burbujas alrddor dl ipulsor. N Q g D ND a Q g ND 3 roycto Fin d carrra Biorractors ágina 6

27 roycto Fin d carrra Disño d una planta piloto para la producción d biotanol Anxo 7 La rlación ntr l núro d potncia y l ódulo d airación s obtin diant la xistncia d corrlacions píricas para cada tipo d agitador. Estrilización En todo procso d frntación s rquir la strilización d los quipos a usar para así vitar la containación biológica. La containación biológica s la invasión d icroorganisos xtraños, sin intrés industrial, dl procso. Con llo s disinuy la productividad porqu s da l crciinto clular d la cpa productora tabién dl containant biológico. Adás si s opra n continuo l icroorganiso xtraño pud dsplazar al d intrés. A part d stos problas, l containant biológico pud dgradar l producto final o producir la lisis clular. dbn d usar inóculos puros, strilizar l dio d cultivo, l ractor, conductos, válvulas, aditivos y corrints dl procso. db antnr las condicions d strilización durant l procso d opración. El procso d strilización consist n la liinación o dstrucción d todos los icroorganisos prsnts capacs d coptir con l organiso dsado. abindo las caractrísticas spcíficas dl cultivo d intrés s pudn ncontrar las condicions d opración ás xtras qu pritan dsarrollars a st cultivo y no a ningún otro icroorganiso. sul jugar con la tpratura y con l ph. Est procdiinto sría d dsinfcción ás qu d strilización. La strilización pud hacrs diant calor húdo o través d la filtración. roycto Fin d carrra Biorractors ágina 7