Transferencia de masa Gas-líquido

La transferencia de oxígeno en matraces de agitación y placas de microtitulación se investigó ampliamente en los últimos años. La transferencia de masa gas-líquido desempeña un papel importante en muchos cultivos microbianos. El suministro de productos gaseosos, así como la eliminación de productos gaseosos y volátiles es esencial para una fermentación exitosa. En particular, el suministro suficiente de oxígeno en los cultivos aeróbicos puede llegar a ser crítico. La respuesta microbiana a las condiciones de cultivo limitadas de oxígeno varía. Dependiendo de la cepa aplicada, puede ocurrir una desaceleración de la actividad metabólica, la formación de subproductos, o incluso la muerte del cultivo microbiano. Como consecuencia, la selección en microbiorreactores en condiciones de cultivo limitadas de oxígeno probablemente dará como resultado una clasificación distorsionada de las cepas investigadas.

La discrepancia entre la baja solubilidad del oxígeno en los caldos de cultivo y la alta demanda de oxígeno en los cultivos aeróbicos a menudo es una tarea difícil de superar en el proceso y el diseño del biorreactor. La solubilidad del oxígeno en solución salina y en medios de cultivo está en el rango de 1 a 10 mg l ^{− 1}. En los microbiorreactores agitados con superficie aireada, como matraces o placas de microtitulación, el suministro de oxígeno no puede mejorarse fácilmente aumentando la velocidad de aireación. El suministro de oxígeno debe ajustarse eligiendo los parámetros de operación apropiados. La capacidad máxima de transferencia de oxígeno en biorreactores agitados aumenta al aumentar la frecuencia de agitación y el diámetro de agitación y al disminuir el volumen de llenado y el diámetro del recipiente (solo si V _L^1/3/ d = constante). Además, las propiedades de la superficie interna del recipiente, así como las propiedades del líquido (viscosidad, solubilidad del oxígeno y difusividad) influyen considerablemente en la transferencia de oxígeno.

En microbiorreactores agitados, la transferencia de oxígeno se puede caracterizar mediante el uso del sistema químico de sulfito. Este sistema de modelo químico no requiere ningún manejo estéril, es relativamente simple de aplicar y se utiliza para determinar la capacidad máxima de transferencia de oxígeno OTR_maxo el coeficiente de transferencia de masa volumétrica k_La. Además, el área de la superficie del líquido volumétrico “a” se puede determinar si la concentración del catalizador aumenta. En tales casos, el régimen de reacción de la oxidación de sulfito debe estar en el régimen mejorado (Ha> 3). Linek señaló correctamente que el método de oxidación con sulfito puede llevar a resultados incorrectos si el líquido no se mezcla lo suficiente. En ese caso, puede ocurrir una caída de la concentración local de sulfito cerca de la superficie del líquido, causada por el transporte insuficiente de iones de sulfito desde el líquido interno a granel a su superficie. Otro efecto que podría llegar a ser crítico es el cambio de la reacción cinética al final de la oxidación del sulfito. Si la concentración de sulfito cae por debajo de un valor crítico de aproximadamente 0.2 M, la reacción cinética se desacelera. Para evitar este efecto y asegurar una determinación correcta del área de la superficie volumétrica a, el tiempo de la reacción de oxidación del sulfito debe limitarse a las condiciones antes de que el pH caiga bruscamente.

En los últimos años, muchos trabajos de investigación se centraron en las mediciones de transferencia de masa de gas-líquido y transferencia de oxígeno en biorreactores. Dos excelentes revisiones resumen aspectos importantes de la transferencia de masa y las técnicas establecidas para las mediciones de transferencia de oxígeno. La tasa de transferencia de oxígeno (OTR) y el coeficiente de transferencia de masa volumétrica k_La se correlacionan mediante la siguiente ecuación:

La ecuación resulta de un balance de masa de oxígeno alrededor de la fase de gas. En la ecuación  c^∗_O2representa la concentración de oxígeno en el líquido en el límite de la fase, cO2,L la concentración de oxígeno en el líquido a granel, k_Lacoeficiente volumétrico de transferencia de masa, LO2 la solubilidad del oxígeno en el líquido, soporta la presión absoluta, y∗O2 la fracción molar de O₂en el líquido en el límite de la fase yO2,L la fracción molar de O2 en el líquido a granel. La ecuación se puede utilizar para calcular el coeficiente de transferencia de masa volumétrica OTR o k_Laen microbiorreactores agitados.

Suponiendo una concentración de oxígeno en la fase líquida cercana a cero (cO2,L ≈0), la transferencia de oxígeno llega a ser máxima (OTR = OTR_max). En los biorreactores agitados, con aireación de superficie, la transferencia de oxígeno al líquido en masa se produce por difusión del oxígeno a través del área de la superficie del líquido. En consecuencia, el área de transferencia de masa de oxígeno, es decir, el área de superficie total del líquido, tiene una influencia distinta en la transferencia de oxígeno al líquido. El área de superficie del líquido total está compuesta por el área de superficie del líquido a granel y la superficie de la película líquida en la pared del reactor y en la parte inferior del biorreactor, lo que contribuye en gran medida a la transferencia de masa total. Debido a la rotación del líquido a granel dentro del recipiente, la película líquida se renueva periódicamente. Büchs desarrolló un modelo para calcular numéricamente la distribución de líquidos y las áreas de superficie en matraces de agitación desbalanceados. La distribución del líquido está influenciada por la frecuencia de agitación, la geometría del matraz, el diámetro de agitación y el volumen de llenado. El modelo solo es válido para viscosidades similares al agua y si no es necesario considerar la tensión superficial. Los resultados de este modelo se han comparado visualmente con fotografías de líquidos giratorios dentro de matraces de agitación. Las alturas máximas de líquido calculadas coincidieron dentro de ± 15% con los valores experimentales. Klöckner extendió este modelo para biorreactores cilíndricos sacudidos más grandes e incluyó un cálculo de la entrada de potencia específica. En este modelo extendido, solo se pueden aplicar geometrías con un diámetro de recipiente mayor que el diámetro de agitación. Los resultados de la simulación concuerdan bien con los cálculos de CFD para la superficie del líquido, así como con los datos experimentales para el área de transferencia de masa total y la entrada de potencia específica.

Como se describió anteriormente, el OTR_maxde un biorreactor agitado se puede determinar experimentalmente utilizando el sistema químico de sulfito. Además del cálculo del coeficiente de transferencia de masa volumétrica k_La, en la literatura se reportan varias ecuaciones empíricas para determinar los valores de k_Laen biorreactores. Estas correlaciones son difíciles de comparar entre sí porque los métodos de medición aplicados varían. Para matraces de agitación desbalanceados, Seletzky desarrolló una correlación empírica para calcular la transferencia de masa volumétrica del sistema químico de sulfito: