Trabajo práctico: transporte de oxígeno en procesos fermentativos

TRABAJO PRACTICO Nº 9

TRANSPORTE DE OXÍGENO EN PROCESOS FERMENTATIVOS

Objetivos: * Adquirir conocimientos teóricos sobre los procesos de transferencia de oxígeno en un bioreactor.
* Determinación de KLa del bioreactor mediante el método dinámico, a dos velocidades diferentes de agitación (300 y 600 rpm).

En todo proceso fermentativo aeróbico es necesario disolver eloxígeno en el medio de cultivo, para satisfacer los requerimientos metabólicos de los microorganismos.
El oxígeno es especialmente utilizado como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria, permitiendo en esta forma la reoxidación de los transportadores de electrones y la generación de ATP.
A diferencia de los demás nutrientes, el oxígeno es muy poco soluble en el medio de cultivo(apenas unas pocas ppm en términos de concentración de saturación). Debido a esto es necesario “alimentar” con oxígeno durante todo el proceso fermentativo. Cuando se trata de un proceso discontinuo, debido a la presencia de pocas células, la necesidad de oxígeno es bastante baja; sin embargo con el crecimiento celular esta demanda aumenta. Tenemos por lo tanto dos fenómenos distintos:
*Aumenta la demanda de oxígeno, lo que obliga a aumentar la disolución de este elemento en el medio de cultivo. Esta situación encuentra un límite en la máxima capacidad de disolución de oxígeno del reactor.

Factores que interfieren en la velocidad de respiración de la célula microbiana:
Una célula consume más oxígeno por unidad de tiempo, cuanto mayor es su velocidad de crecimiento. Sin embargoeste proceso tiene un límite dado por una velocidad máxima que representa a la máxima capacidad de síntesis de las enzimas que intervienen en el proceso.
La velocidad específica de consumo de sustrato es una función lineal de la velocidad específica de crecimiento.

μs = ms + ( 1/YG ) μ
μs = 1/x (ds/dt)
μs S = concentación de sustrato gr/L
x = concentración celular (g. Mat. Seca/L)
t = tiempo de cultivo (h)
μ = velocidad específica de crecim. (h-1)
ms = vel específica de consumo de fuente de carbono para mantenimiento.
← YG = rendimiento.

Siendo el oxígeno otro nutriente:
QO2 = mO2 + (1/Yx/O) μ
QO2 = (1/x)(dO2/dt) = veloc específica de consumo de oxígeno(gr O2 / gr cel h )
También:
QO2 = QO2 max .C/ K0 + C
Donde C es la concentración de oxígeno disuelto en el medio.

QO2

QO2 max

QO2 max / 2

Ccrit. C

Transferencia de oxígeno y respiración microbiana
Concentración de oxígeno disuelto en condiciones de saturación
La concentración de saturación en equilibrio con aire atmosférico (21 % deO2 presión parcial 0,209 at) es del órden de 7 ppm (mg/L) y disminuye con el aumento de temperatura y con la presencia de sustancias disuelta.
Para soluciones diluidas como es el caso de solución de oxígeno en agua, se aplica la ley de Henry:
CS = H . Pg CS = concentración de saturación (mg/L)
H = constante de Henry (mg/L at.)
Pg = presión parc de oxígeno en el gas (at.)
Enun proceso fermentativo la constante de Henry varía con la variación de la composición del medio de cultivo.

Transferencia de oxígeno desde las burbujas de aire al medio
Generalmente este fenómeno se explica utilizando la idea de la doble película, donde se localizará la resistencia al transporte de oxígeno desde el gas hacia la fase líquida.
Esquematizando:

Líquido
Pg, Cs’Película de líquido
Interfase
Pi, Cs Gas
Película de gas
Pl, C

P = presión parcial de oxígeno en gas o líquido.
C = concentración de oxígeno en equilibrio con la respectiva presión parcial.
Si se admite el estado estacionario, el flujo de oxígeno por unidad de área en la interfase, de intercambio de masa (mol O2 / m2 . h) puede ser escrito:...