BIORREACTORES Fase de Declinación o Muerte Fase de Latencia Fase Exponencial Fase Estacionaria La rotura de la fina película de la burbuja y el rápido.

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2 BIORREACTORES Fase de Declinación o Muerte Fase de Latencia Fase Exponencial Fase Estacionaria La rotura de la fina película de la burbuja y el rápido empuje desde la burbuja hacia arriba produce grandes fuerzas de cizalla, capaces de dañar ciertos tipos de células. CONSUMO DE OXÍGENO EN CULTIVOS CELULARES La espuma causa infinidad de problemas de operación MÉTODOS PARA REDUCIR LA ESPUMA Limitantes en bioprocesos Transferencia entre fases La transferencia de oxígeno a partir de una burbuja de aire al microorganismo en un bioproceso aeróbico es una etapa de transporte relativamente lenta.aire Transferencia de masa en Biorreactores Transferencia de oxígeno en el medio líquido Consumo de Oxigeno: Crecimiento en condiciones limitantes

3  Dorán P.,1998. Principios de ingeniería de los bioprocesos. pag 206-208.  Durán, E & Rojas, G. (2006). “Efecto de contaminantes sobre la transferencia de oxígeno en sistemas de aeración analizado mediante un modelo de dos zonas simplificado”. Ciencia y Tecnología, 24(2): 129-150. [Online]. Sitio web: https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:_h4Vm859HzMJ:revi sta-ciencia-tecnologia.ucr.ac.cr/index.php/ciencia- tecnologia/article/download/30/30+importancia+de+transferencia+de+ox %C3%ADgeno&hl=es&gl=es&pid=bl&srcid=ADGEEShtSxAosaNjunKlQzt TommCPZaeRo2DB2OjExRuWaLskNkNzRA_cDqLdnEwE4IbTYGhA94i GIArfNj- M674g1ZfGV_PWTnviIqgEeYLylhkCcvYazkOrKGASkYiC2omLmg18Sc0 &sig=AHIEtbQisg9XOdCdwUbTrNXpaACrIOa35whttps://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:_h4Vm859HzMJ:revi sta-ciencia-tecnologia.ucr.ac.cr/index.php/ciencia- tecnologia/article/download/30/30+importancia+de+transferencia+de+ox %C3%ADgeno&hl=es&gl=es&pid=bl&srcid=ADGEEShtSxAosaNjunKlQzt TommCPZaeRo2DB2OjExRuWaLskNkNzRA_cDqLdnEwE4IbTYGhA94i GIArfNj- M674g1ZfGV_PWTnviIqgEeYLylhkCcvYazkOrKGASkYiC2omLmg18Sc0 &sig=AHIEtbQisg9XOdCdwUbTrNXpaACrIOa35w  Erazo, R. et al. 2001. Determinación Experimental del Coeficiente de Transferencia de Oxígeno (kla) en un Biorreactor Batch. Consultado el 1 de mayo del 2012. En línea: http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/ing_quimica/Vol4_ N2/determinacion_experimental.pdf.http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/ing_quimica/Vol4_ N2/determinacion_experimental.pdf  Franco, C. A., Franco, C. A., Ojeda, E. D. (2008, April 25). SOLUBILIDAD DE GASES EN LÍQUIDOS ENEL EQUILIBRIO.Universidad de Sevilla. Consultado el 5 De Enero del 2012. Disponible en: http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones- basicas/contenidos1/tema12/pagina_02.htm.Copyright 2007, Autores y Colaboradores. http://www.fagro.edu.uy/~microbiologia/docencia/materiales%20teoricos/2 011/crecimiento_2011.pdfhttp://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones- basicas/contenidos1/tema12/pagina_02.htm.Copyright http://www.fagro.edu.uy/~microbiologia/docencia/materiales%20teoricos/2 011/crecimiento_2011.pdf  Montoya, A & Bermúdez M. (2003). “Modelamiento De La Transferencia De Oxigeno Para El Cultivo De Microorganismos En Un Biorreactor De Columna De Burbujeo”. Proyecto de Tesis de la Universidad Nacional de Colombia: Ingeniería Química. Manisales. [Online] Extraído del Sitio Web: http://www.bdigital.unal.edu.co/1159/1/didierabdre smontoyaguzman.monicayamilebermudezsegura.2003. pdf http://www.bdigital.unal.edu.co/1159/1/didierabdre smontoyaguzman.monicayamilebermudezsegura.2003. pdf  Torres López Ana María, Quinteros Días Juan Carlos, Atehortúa Garcés Lucía. (2008). Determinación de la velocidad específica de consumo de oxígeno en microorganismos incluyendo el tiempo de respuesta del electrodo de oxígeno. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia Número 43., 33-41.  UGR.1995.Determinación de paramétros de transferencia de O2 en fermentadores. Consultado el 4 de Enero del 2012.Disponible en: http://www.uclm.es/users/higueras/mam/MMAM3.htmhttp://www.uclm.es/users/higueras/mam/MMAM3.htm  http://www.ugr.es/~fcamacho/Originales/Trabajos%20P ublicados/RA_MADRID_1995.pdf http://www.ugr.es/~fcamacho/Originales/Trabajos%20P ublicados/RA_MADRID_1995.pdf

4 Esta imagen muestra las tres etapas del desarrollo bacteriano. El crecimiento implica un aumento ordenado de todos los componentes celulares de un organismo y así aumentar el tamaño del mismo (estado adulto). Existen principalmente cuatro fases en el desarrollo de los microorganismos, la duración de cada fase es específica para cada especie. 1 2 3 4

5 La transferencia de oxígeno es el fenómeno mediante el cual se transfiere oxígeno de una fase a otra. La transferencia de O 2 es la etapa controlante (reactivo limitante) en los procesos de fermentación aerobia. Por lo que es necesario disponer de métodos adecuados para la medida de parámetros de transferencia, áreas interfaciales específicas y distribuciones de tamaños de burbuja (UGR, 1995). Lo que se persigue en un bioreactor es intensificar el fenómeno de transferencia de O 2.

6 Por lo tanto, la velocidad de consumo de ox í geno se puede expresar como: ro2: velocidad de consumo de oxígeno (moles de oxígeno consumidos/l.h) qo2: velocidad específica de consumo de oxígeno, indica los gramos de oxígeno consumidos por gramo de célula seca por unidad de tiempo (h-1). Varía de un microorganismo a otro e igualmente para el mismo microorganismo según la edad y su estado fisiológico. X: Concentración de biomasa en el caldo de fermentación (gcélula seca/l). La velocidad de consumo de oxígeno (ro2) se puede relacionar con la velocidad específica de crecimiento microbiano (  ), usando el coeficiente de rendimiento Yx/o: Donde: NA: Velocidad de transferencia de ox í geno por unidad de volumen del fluido (m 2 m -3 ). KL: Coeficiente de transferencia de materia de la fase l í quida (ms -1 ). a: Á rea interfacial l í quido-gas por unidad de volumen de fluido (m 2 m -3 ). : Concentraci ó n de ox í geno en el cultivo (molm -3 ). C*AL: Solubilidad del ox í geno en el caldo de cultivo.

7 La velocidad de transferencia de oxígeno en los caldos de fermentación se ve afectada por varios factores físicos y químicos que varían el valor del kL o de a, o el de la fuerza impulsora de la transferencia de materia (C*AL – CAL ).

8 Cuando se inyecta aire a un líquido que contiene células sensibles a la cizalla pueden intervenir otros mecanismos dañinos diferentes a los mostrados en el apartado anterior, de experimentos así realizados, el daño parece estar asociado en primer lugar con las burbujas que estallan en la superficie del líquido. La rotura de la fina película de la burbuja y el rápido empuje desde la burbuja hacia arriba produce grandes fuerzas de cizalla, capaces de dañar ciertos tipos de células.

9 MÉTODOS PARA REDUCIR LA ESPUMA

10 Gas → Líquido ej: oxígeno en aire → oxígeno disuelto Líquido → Gas ej: CO2 disuelto → CO2 en aire Líquido → sólido ej: glucosa → células inmovilizadas Sólido → Líquido ej: alginato→ alginato disuelto Líquido → Líquido ej: substratos disueltos→ enzimas solubles Limitantes en bioprocesos - Paso de transporte de masa : substrato y el catalizador se encuentran. - Paso catalítico: pH, Temperatura, etc. - Soluciones para reacciones donde los fenómenos de transporte son limitantes: Aumentar el movimiento de substrato y catalizador en el biorreactor. Aumentar la concentración de substrato. Aumentar la concentración de catalizador Transferencia entre fases La transferencia de oxígeno a partir de una burbuja de aire al microorganismo en un bioproceso aeróbico es una etapa de transporte relativamente lenta.aire La velocidad de transferencia de masa en el líquido depende entonces de: Velocidad de agitación. Diámetro del agitador. Diseño del biorreactor. Densidad del medio de cultivo. Densidad de las burbujas o glóbulos. Viscosidad del medio de cultivo. Difusividad del soluto. Cuantificaci ó n El modelo que describe la transferencia de masa entre dos fases puede escribirse como:

11 Transferencia de oxígeno en el medio líquido Si consideramos que la pel í cula l í quida unida a la interfase es la que limita la transferencia de ox í geno, la ecuaci ó n que describe el modelo El valor de kL puede incrementarse: Disminuyendo la película interfacial. Esta depende principalmente de la velocidad de mezclado.

12 Consumo de Oxigeno: Crecimiento en condiciones limitantes

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18 PROBLEMA #01 515 Tensión de oxígeno 5066 Un fermentador agitado de 20L que contiene un cultivo de Bacillus Thuringiensis a 30 °C se utiliza para la producción de un insecticida microbiano. El valor de KLa se determina mediante el méetodo dinámico. Se corta aire durante unos pocos minutos disminuyentdo el nivel de oxígeno disuelto y posteriormente se viuelve a restablecer. Cuando se alcanza el estado estacionario, la tensión del oxígeno disuelto es el 78% de aire. Se obtuvieron los siguientes datos : ||Tiempo a)Calcular K La b)Se comete un error en la determinación del nivel de oxígeno disuelto en estado estacionario, de manera que en vez del 78% se ha tomado un valor del 70%. Cuál es el porcentaje de error en K La como resultado de eeste 10% de error en la medición de CAL.

19 SOLUCIÓN

20 PROBLEMA #02 Se utiliza el metodo dinamico para medir Kla en un fermentador que opera a 30C. Los datos de concentracion de oxigeno disuelto en funcion del tiempo durante la etapa de reoxigenacion son los siguientes: La concentraci ó n de equilibrio del oxigeno en el caldo es 7,9x10 3 kg/m 3. Calcular Kla.

21 SOLUCIÓN El Kla se calcula mediante la ecuaci ó n siguiente: Tomando como t1= 10 segundos y CAL=43% de saturaci ó n de aire. El estado estacionario de oxigeno disuelto es 73,5%. Los valores de In y t se muestran en la siguiente tabla:

22 Con los datos obtenidos en la tabla anterior procedemos a realizar la grafica: El valor de la pendiente es igual al kla en este caso es de 0,069 s-1.

23 Se cultivó Saccharomyces cerevisiae (CH1.79 O0.56 N0.17) en un medio de glucosa, (NH4)2 SO4 y sales. Por cada c‐mol de biomasa formada se consumieron 2.24 c‐ mol glucosa, 0.69 mol de O2 y se produjeron 0.89 mol de CO2. Evalue si se ha formado algún producto y, en caso afirmativo, cual podría ser la naturaleza de este. PROBLEMA #03 SOLUCIÓN Paso #01:

24 Paso #02:

25 Paso #03: Se forma un producto de grado γ = 5

26 PROBLEMA #04 Un microorganismo aerobio (composición: CH1, 625 O0, 5 N0, 125) produce una sustancia extracelular cuya fórmula molecul ar es C6H4O2N2. Realizado un cultivo en batch de este organ ismo en un medio de cultivo conteniendo 30 g/l de glucosa (su strato limitante y única fuente de C y energía) se midieron los r endimientos en biomasa (YX/s) y oxígeno (YX/O) obteniéndose valores de 0,170 y 0,307 g/g respectivamente. Si el método c olorimétrico empleado para la valoración del producto en cuest ión tiene límites de detección que van desde 100 a 600 ppm d e producto, ¿qué dilución del medio de cultivo se deberá realiz ar para poder medir la concentración de este producto?

27 SOLUCIÓN Paso #01:Paso #02:

28 Paso #03: Paso #04: Paso #05: