Biotecno

MODELAMIENTO DE LA TRANSFERENCIA DE OXÍGENO PARA EL CULTIVO DE MICROORGANISMOS EN UN BIORREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJEO

DIDIER ANDRÉS MONTOYA GUZMÁN

MÓNICA YAMILE BERMÚDEZ SEGURA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA Manizales 2003

PORTADA MODELAMIENTO DE LA TRANSFERENCIA DE OXIGENO PARA EL CULTIVO DE MICROORGANISMOS ENUN BIORREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJEO

DIDIER ANDRÉS MONTOYA GUZMÁN Línea de Profundización en Procesos Químicos, Catalíticos y Biotecnológicos

MÓNICA YAMILE BERMÚDEZ SEGURA Línea de Profundización en Alimentos

Modalidad: Proyecto Final

Director OSCAR JULIÁN SÁNCHEZ TORO Ingeniero Químico, M.Sc. en Biotecnología

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURACARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA Manizales 2003

DEDICATORIA

A Dios quien es mi principal patrocinador, a mis padres Adiela y Arcesio por su indeclinable propósito de apoyarme, a mis hermanos por su comprensión y a la momita por su infinita paciencia. Didier

Dedico este trabajo con mucho cariño a mis padres Dilia y Alfonso por su amor, a mi hermano Geovanni por su apoyo incondicional, a JuanAndrés Solarte por su invaluable colaboración, a Didier por todo el tiempo que me permitió compartir a su lado, además, “a los que les fallé y me siguieron queriendo ...” y por supuesto, a Dios “por toda la libertad para hacer bien o mal mi vida ...” Moma

AGRADECIMIENTOS Por sus valiosos aportes en la concepción y realización de este proyecto, los autores agradecen a: • OSCAR JULIÁN SANCHÉZTORO. Director departamento de Ingeniería de Alimentos. Universidad de Caldas. NELSÓN CAICEDO. Jefe de Planta Piloto. Levapán S.A. – Tulúa. GERMÁN BARCO. Profesor adscrito al departamento de Matemáticas. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. CARLOS ARIEL CARDONA. Profesor Asociado. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. JUAN ANDRÉS SOLARTE. Estudiante pregrado Ingeniería Química.Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. ABSALÓN VALENCIA HERNÁNDEZ. Estudiante pregrado Ingeniería Eléctrica. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. LUIS ROLANDO RÍOS. Tecnólogo Químico. Universidad Tecnológica de Pereira.

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CONTENIDO

pág. INTRODUCCIÓN _______________________________________________________ 15 RESUMEN____________________________________________________________

17 1. SOPORTE TEÓRICO AL MODELAMIENTO DE LA TRANSFERENCIA DE OXÍGENO EN MEDIOS BIOLÓGICOS ______________________________________ 18 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 CONCEPTOS BÁSICOS ____________________________________________ 18 Interfase gas – líquido. _____________________________________________ 18 Características reológicas._________________________________________ 21 Difusividad. _____________________________________________________ 24 Solubilidad de gases. _____________________________________________ 26 Otros factores fisicoquímicos que afectan el fenómeno de transferencia. _____ 29 CINÉTICA DE LA FERMENTACIÓN ___________________________________ 32 Generalidades. __________________________________________________ 32Modelos cinéticos de procesos simples. _______________________________ 33 Velocidad de la utilización metabólica de oxígeno. ______________________ 40

1.2.4 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 2. 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2

Biorreactores utilizados en procesos fermentativos. ______________________ 41 HIDRODINÁMICA DE LA COLUMNA DE BURBUJEO _____________________ 43 Tipos yestados de operación. ______________________________________ 43 Propiedades de la burbuja. __________________________________________ 48 Retención de gas en la columna. ____________________________________ 53 Área interfacial gas – líquido. _______________________________________ 54 Coeficiente de transferencia en el lado líquido. _________________________ 55 Coeficiente volumétrico global de...