Procesos Biotecnológicos II Clase 8: Transferencia de Oxígeno
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1 Procesos Biotecnológicos II Clase 8: Transferencia de Oxígeno Hugo Menzella Mayo de 2013
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Procesos Biotecnológicos II
Clase 8: Transferencia de Oxígeno
Hugo Menzella
Mayo de 2013
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Sobre el término Fermentación
Microbiología
Se refiere a procesos de conversión
anaeróbicos. Ej. producción de etanol
Biotecnología
Se refiere a todos los procesos incluidos los
aeróbicos
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Bioproceso aeróbico
Stock de células Materias primas
Erlenmeyer
Fermentador
de inoculación
Medio de cultivo
Esterilización
Fermentador
Captura
Purificación Productos
Aire
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Aireación y Agitación
Importancia del mezclado en la
fermentación
Dispersar burbujas de gas para
asegurar transferencia de gases
Mantener células en suspensión
Mantener medio homogeneo
Favorecer la transferencia de calor
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Aireación
Aireación hace referencia al proceso de
introducir aire para incrementar la concentración
de oxígeno de los liquidos
Cumple además la función de eliminar gases
tóxicos (CO2)
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Aireación de un líquido
Puede llevarse a cabo de distintas maneras:
1- Burbujeando aire en el líquido
2- Llevando a cabo un spray del líquido en aire
3- Agitando el para incrementar la superficie de
absorción
4- Combinación de las anteriores. Ej. Burbujeo +
agitación
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Oxígeno es el sustrato gaseoso más importante
Existen múltiples factores que afectan la transferencia
de oxígeno
La eficiencia de la transferencia de oxígeno es
muchas veces el factor limitante de la producción de
un proceso fermentativo
Los fermentadores y procesos de fermentación estan
diseñados para maximizar la transferencia de oxígeno
Satisfacer la demanda de oxígeno es una de las etapas
más 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
aún 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 líquido en relación a la presión parcial del O2 en el gas en contacto con la fase líquida
C* es la concentración de saturación en la solución nutriente, Po es la presión parcial de O2
en la fase gaseosa y H es la cte de Henry, específica para para el gas y la fase líquida
Insuflando aire se logra una concentración de 8 mg O2/L en agua, con oxígeno puro 43 mg O2/L.
H
P*C o
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Etapas de la transferencia de O2 desde la
burbuja a la célula
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Etapas de la transferencia de O2 desde la
burbuja a la célula
1 - Difusión dentro de la burbuja hacia la interfase gas-líquido
2 – Difusión a través de la interfase gas-líquido
3 - Difusión a través de la película líquida en torno a la burbuja
4 – Movimiento por difusión en el seno del líquido
5 - Difusión a través de la película líquida en torno al flóculo celular
6 – Entrada al flóculo celular
7 - Difusión a través del flóculo celular
8 – Difusión a través de la membrana celular
9 – Reacción de oxidación
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Etapas de la transferencia de O2
desde la burbuja a la célula
Etapa 1
Difusión dentro de la burbuja hacia la interfase gas-líquido
Las moléculas 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 célula
Etapa 2 - Difusión a través de la interfase gas-líquido
La resistencia es despreciable.
En sentido contrario el CO2 pasa del líquido a la burbuja
O2
CO2
O2
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Etapa 3- Difusión a través de la película líquida en torno a la burbuja.
El movimiento es lento, es la etapa limitante y depende de:
Temperatura
Concentración de oxigeno en la burbuja y el liquido
Viscosidad del medio de cultivo
Etapas de la transferencia de O2 desde la
burbuja a la célula
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Etapa 4 Movimiento por difusión en el seno del líquido
En general es rápida. Depende de:
La eficiencia del mezclado
La viscosidad del medio de cultivo
O2
Etapas de la transferencia de O2 desde la
burbuja a la célula
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Pasos 5 a 9
5 - Difusión a través de la película líquida en torno al flóculocelular
6 – Entrada al floculo celular
7 - Difusión a través del flóculo celular
8 – Difusión a través de la membra celular
9 – reacción
Los pasos 5 y 7 son lentos. Las células aisladas son siemprepreferibles a aquellas que crecen en flóculos (Ej. microorganismos filamentosos) por su facilidad para captaroxígeno
Etapas de la transferencia de O2 desde la
burbuja a la célula
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Si el proceso utliliza células aisladas en suspensión y el mezclado del líquido es eficiente:
El paso limitante del proceso de transferencia esla etapa 3- Difusión a través de la películalíquida en torno a la burbuja
Etapas de la transferencia de O2 desde la
burbuja a la célula
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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 volumétrico de transferencia de O2 (h-1)
C* = Valor de saturación para la cc O2de en la interfase (aprox
igual a la solubildad de O2 en fase líquida) (mM/L)
CL = Concentración de O2 en fase liquida (mM/L)
de aquí en adelante OTR = O2 Transfer Rate (mM O2/Lh)
Proceso de transferencia de oxígeno
Paso 3
La ecuación para la transferencia de oxígeno en la
interfase:
Parametros que influyen en la capacidad de
transferencia de oxígeno de un sistema de
fermentación
Diseño del fermentador: Medio de cultivo:
Turbinas Solubilidad del oxígeno
Baffles Viscosiidad
Aireadores Presencia de agentes tensoactivos
Geometría
Organismo: Parametros del proceso:
Morfología Veloc agitación(RPM)
Caudal aireación(VVM)
Presión 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 >Difusión
10°C-40°C: predomina >Difusión , aumenta OTR
>40°C: 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 morfología y del medio de cultivo en la OTR
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Influencia de la agitación y caudal de aireación en OTR
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Influencia de la PO2 en la OTR
1- Aumento de la presión en el tanque
2- Incremento de la concentración de oxígeno en el gas suministrado
PO2 puede ser variada de distintas maneras:
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Importante:
Debe realizarse un
exhasutivo análisis de
costo antes de
implementar el aumento
de presión o uso de
oxígeno puro
Influencia del uso de agentes antespumantes
Son moleculas anfipáticas
Se ubican en torno a las burbujas y disminuyen la transferencia de O2
La formación de espuma aumenta con el caudal de aire suministrado. Caudales mayores a 1 v/vmin no pueden utilizarse en fermentaciones de alta densidad de células
Cuando es posible se prefiere el uso de dispositivos mecánicos 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 líquido para que el O2 se transfiera a la fase líquida.
A > T residencia de burbuja > transferencia de O2 hasta el punto en que la concentración de O2 de la burbuja es muy baja.
T residencia de Burbuja depende del tamaño y de la geometría del fermentador (a > h > Tr)
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Porque es importante determinar KLa
para un sistema de fermentación?
Es un parámetro confiable que permite determinar la
maxima OTR de un fermentador, una de sus
caracteristicas más 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
1. Método de oxidación de sulfito (método de Cooper)
2. Gassing out estático
3. Gassing out dinámico
Métodos para determinar KLa
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Métodos para determinar KLa
1. Método de oxidación de sulfito
Mide la velocidad de conversión de una solución 0.5 M de
sulfito de sodio a sulfato en presencia de cobre como
catalizador
Na2SO3 + 1/2 O2 Na2SO4
La velocidad de oxidación del sulfito es proporcional a la
transferencia de oxígeno
Desventajas i) lento
ii) no considera reología delmedio
Cu++ or Co++
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Métodos para determinar KLa
Método de Gassing out estático
Utilizando la técnica de gassing out se mide con una sonda
polarográfica 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 grafíca:
X
Y
Tiempo
Concentración
de O2 disuelto
La OTR a tiempo X es igual a la pendiente de la tangente a la curva31
Métodos para determinar KLa
Métodos para determinar KLa
Ventajas del Métodos de Gassing out estático
Rápido ~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 electródo introduce errores
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Métodos para determinar KLa
Método de Gassing out dinámico Mide los niveles de O2 en cultivos que estan creciendo en el
fermentador
Se suspende la aireación y el consumo de los
microorganismos reduce el nivel de O2
El incremento BC de O2 observado in el oxígeno disuelto es la
diferencia entre el OTR y el consumo de los microorganismos
(OUR)
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X
B
A C
Tiempo
Concentración
de O2 disuelto
Método de Gassing out dinámico para la dereminación de Kla
La aireación se suspende en el punto A y se reinicia en B
Pendiente AB da RX
(Velocidad de respiración)
Pte BC da dC/dt
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Métodos para determinar KLa
Método de Gassing out dinámico
Expresado como ecuación:
dC/dt = Kla (Csat - CL) - QO2.X
QO2 = veloc respiración (mmoles of O2 g-1 biomass h-1),
X = Biomasa
Se suspende la aireación, se mide O2 disuelto
dC/dt = - QO2.X ... La pte AB permite determinar QO2.X
Se reinicia la aireación y se mide O2 disuelto ,
dC/dt = KLa (Csat - CL) - QO2.X
(pte BC) (tabulada) (Observada) (pte AB)35
Método de Gassing out dinámico
Ventajas
Puede determinar KLa durante una fermentación real
Rápido
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 críticos de O2 disuelto
Para maximizar la producción de biomasa se debe satisfacer la
demanda de O2 de las células en cultivo manteniendo el nivel
por encimaa de la Ccrit
Si la concentración 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 administración de los sustratos oxidables, este es
el fundamento de las denominadas “fermentaciones en batch
alimentado”
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Estequiometría de la respiración
Consideramos el uso de glucosa como fuente de carbono y energía;
C6H12O6 + 6O2 = 6H2O + 6CO2 PM glucosa =180
PM O2= 32
Para oxidar 180 g de glucosa se requiren 192 g de O2.
Si la velocidad de captación de O2 de la biomasa (OUR) supera la
OTR se consume rapidamente todo el O2 y habrá alteraciones
metabolicas
Pero… puedo administrar la glucosa a una velocidad tal que el fermentador
pueda suministrar el O2 necesario para oxidarla. Esta es la razón mas
importante para establecer procesos en batch alimentado38
Ccrit O2 para algunos microorganismos
Organismo Temperatura Concentración críticaoC 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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Concentración de O2 vs Velocidad de respiración (Veloc Cto)
El efecto de la concentración de O2 disuelto en la velocidad de
respiración la cual puede relacionarse directamente con la velocidad
de crecimiento puede describirse con una ec de Michaelis Menten
Veloc respiración (QO2) = QO2 max . conc O2 / ( Ks + conc
O2 )
Vel cto especifico = max. C/ (Ks + C) donde C = conc O2
QO2 = mmoles O2 consumidos por gramo de peso seco de
biomasa
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concentración de O2 disuelto
QO2
Ccritical
Effecto de la concentración de O2 disuelto en el QO2 de un
microorganimo
El consumos especifico de O2 se incrementa al aumentar la concentración
de O2 disuelto hasta un cierto valor denominado Ccrit 41
Factores que afectan la demanda de oxígeno
Velocidad de respiración determinada por la afinidad de
oxidasas
Tipo de respiración (aeróbica vs anaeróbica)
Tipo de sustrato (glucosa vs metano)
Otros factores ambientales (pH, temp etc.)
Relacion superficie/ volumen
Tamaño (bacteria v célula animal)
Presencia de hifas, clogs, etc.
Naturaleza de la superficie (presencia de capsula, etc)
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Para recordar: balance entre demanda y
suministro de O2 al diseñar un bioproceso
El diseño de un proceso de fermentación debe ser tal que
en todo momento el OUR sea menor al OTR
OUR = QO2.X
QO2 = O2 Veloc de captacion específica, X = Biomasa
OTR = KLa(Csat - CL )
Además la concentración de O2 disuelto debe ser > Ccrit
en todo momento.
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Para recordar: balance entre demanda y
suministro de O2 al diseñar un bioproceso
La fermentación tiene un OTR máximo dictado por los
factores descriptos anteriormente, por lo tanto si es
superada la OTR máxima debe reducirse la demanda
del bioproceso mediante:
•Control de la concentración de biomasa
•Control de la QO2
•Combinaciones de ambas
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