Operaciones unitarias biorreactores de tanques de acero
La mayoría de las operaciones unitarias que se utilizan en el bioprocesamiento implican flujos multifásicos.
Esto es particularmente cierto para los biorreactores de tanques de acero agitado continuo (CSTR) que se usan comúnmente como biorreactores o fermentadores.
En estos reactores, el gas se rocía en un medio que consta de medios líquidos y celdas sólidas.
La mezcla inversa y el desvío de gas causados por una mezcla deficiente pueden dar lugar a zonas muertas o estancadas.
Estos, a su vez, crean gradientes dentro del medio de trabajo y dan como resultado un suministro inadecuado de nutrientes y oxígeno a las células.
El conocimiento de la hidrodinámica de los biorreactores de tanques de acero es esencial para comprender el flujo no ideal dentro del biorreactor.
Cuando se trata de flujos monofásicos, la dinámica del fluido se puede determinar fácilmente resolviendo simultáneamente la ecuación de continuidad y la ecuación de Navier-Stokes.
Sin embargo, en el caso de flujos multifásicos, la complejidad aumenta notablemente y es necesario tener en cuenta muchos factores para llegar a conclusiones precisas.
Estos incluyen el intercambio de cantidad de movimiento entre las fases, la transferencia de masa entre las fases y la absorción de una fase en otras.
La mezcla adecuada y la retención de gas en un reactor juegan un papel importante en la determinación de su rendimiento.
La mezcla perfecta es una condición en la que hay uniformidad en la concentración de cada especie en el reactor.
La mayoría de los reactores están diseñados sobre la base de la suposición de una mezcla perfecta, lo que da como resultado errores entre las predicciones y las mediciones reales, y los errores aumentan con el tamaño del reactor.
En realidad, el campo de flujo dentro del reactor es inherentemente inestable y los remolinos turbulentos que se forman en el reactor no son uniformes, lo que da como resultado perfiles de flujo inestables.
Teniendo en cuenta la necesidad de una mezcla uniforme en un reactor, la industria realiza esfuerzos considerables para acercarse lo más posible al estado ideal.
Una buena mezcla da como resultado una transferencia de masa eficiente de la fase dispersa a la fase continua y también una concentración uniforme de todas las especies en el reactor.
En general, los biorreactores de tanques de acero están equipados con impulsores que pueden operar a diferentes velocidades del impulsor y, por lo tanto, brindan un mejor contacto y un área interfacial alta entre las fases.
Esto da como resultado un mayor coeficiente de transferencia de masa entre las fases del reactor.
En la industria biotecnológica, los reactores de tanque agitado aireados se usan comúnmente para cultivar células microbianas y de mamíferos.
El oxígeno se purga a través del medio utilizando un rociador colocado en el fondo del reactor.
La formación de productos a menudo depende de la velocidad a la que se transfiere el oxígeno de una fase a otra.
Para medir la transferencia de oxígeno entre las fases, se utilizan comúnmente parámetros como la retención de gas y el coeficiente de transferencia de masa volumétrica.
La distribución del tamaño de la burbuja también es un factor importante ya que afecta directamente el área interfacial entre las diferentes fases.
La dinámica de fluidos computacional (CFD) se usa ampliamente para simular la hidrodinámica dentro del biorreactor resolviendo la ecuación de continuidad y la ecuación de Navier-Stokes simultáneamente.
El volumen del sistema se divide en volúmenes de control más pequeños (llamados celdas) y las ecuaciones de cantidad de movimiento se resuelven numéricamente para cada uno de los volúmenes de control.
Para evitar complejidades matemáticas, muchos investigadores asumen un solo tamaño de burbuja para la fase gaseosa en el reactor.
Esto hace que las simulaciones sean computacionalmente simples y, por lo tanto, más rápidas.
Sin embargo, en un proceso real, el tamaño de la burbuja cambia a medida que la fase gaseosa se mueve dentro del reactor.
Las burbujas salen del rociador y luego se descomponen en burbujas más pequeñas a medida que pasan por la zona de alto cizallamiento alrededor del agitador.
El área interfacial por unidad de volumen del reactor aumenta drásticamente cuando esto sucede y esto es, de hecho, responsable del aumento en la tasa de transferencia de masa en el reactor.
Por lo tanto, se requiere un modelo de balance de población cuando se realizan simulaciones CFD para un biorreactor.
Se sabe que varios parámetros operativos afectan la transferencia de masa en un biorreactor.
Estos incluyen la velocidad del impulsor, el caudal de entrada de gas y la retención de gas. Las Figuras 10.2a1 y a2 ilustran el efecto de la velocidad del impulsor y el caudal de entrada de gas, respectivamente.
La Figura 10.2a1 muestra simulaciones realizadas a diferentes velocidades del impulsor en un biorreactor que contiene dos impulsores de tipo hélice de 3 palas y un impulsor de turbina Rushton.
Se ve que a medida que aumenta la velocidad del impulsor, también aumenta la turbulencia dentro del reactor.
Con un impulsor más alto, la intensidad de mezcla y la distribución de la fase gaseosa son más altas que con una velocidad más baja.
Sin embargo, el corte y el consumo de energía también aumentan.
Por lo tanto, para el funcionamiento óptimo de un biorreactor, es fundamental identificar la velocidad del impulsor que produce la mezcla requerida con un mínimo de corte y consumo de energía.
Es bien sabido que la turbina Rushton crea más turbulencia en comparación con los impulsores de tipo hélice.