Un biorreactor de tanque agitado es un recipiente controlado que permite conversiones biológicas en componentes bioactivos utilizando células o enzimas. En los procesos aeróbicos, es importante conocer los requerimientos de oxígeno de las células, que pueden variar durante la fermentación como resultado de la actividad microbiana, el envejecimiento, el agotamiento del sustrato y la formación de productos, etc. Aquí describimos la medición del coeficiente volumétrico de transferencia de masa (kLa) en un biorreactor de tanque agitado utilizando el método dinámico basado en estado no estacionario, que también es un parámetro significativo, especialmente en la ampliación de escala. El equipo para la medición según el método dinámico tiene un bajo costo en comparación con la metodología de estado estacionario. Este método es confiable en la determinación de kLa cuando el tiempo de residencia del gas y la sonda que mide la concentración de oxígeno del tiempo de respuesta cumplen con requisitos específicos.
La transferencia de gas se define como el proceso en el que el gas se mueve de una fase a otra. Este fenómeno se utiliza en la transferencia de masa y la transferencia de oxígeno para la continuidad de los procesos biológicos durante la bioproducción en un biorreactor de tanque agitado. La transición de oxígeno de la fase gaseosa a la fase líquida es crucial para el proceso aeróbico, especialmente para: la producción de enzimas, la formación de productos relacionados con la biomasa, el tratamiento de aguas residuales y los cultivos de células animales.
Los microorganismos aeróbicos en el caldo de fermentación producen la energía necesaria para su supervivencia y crecimiento utilizando moléculas de oxígeno disuelto. El oxígeno, como todos los gases en la atmósfera, se disuelve en el agua hasta cierto grado. La concentración de oxígeno disuelto (OD) depende en gran medida de la temperatura, la presión y el nivel de salinidad del agua. La concentración máxima de OD a 1 atm y temperatura ambiente es de 8.26 mg/L para agua pura.
En los bioprocesos donde intervienen microorganismos aeróbicos, es muy importante mantener el nivel deseado de concentración de OD en el caldo de fermentación. Varios organismos necesitan niveles muy altos de oxígeno para la formación de productos relacionados con la biomasa. Esto requiere una medición continua de la concentración de OD en el biorreactor de tanque agitado y un sistema de control que reaccione rápidamente cuando haya una desviación de los valores diseñados según las necesidades de los microorganismos. Debido a que el número de microorganismos en el fermentador y su tasa metabólica cambian con el tiempo, el requerimiento de oxígeno del sistema tampoco permanece constante durante la fermentación.
La concentración de OD puede variar durante la fermentación como resultado de la actividad microbiana. Se han propuesto métodos físicos y químicos para la medición del kLa en bioreactores tanque agitados (STR). En los bioprocesos, los métodos de estado estacionario y no estacionario son los más preferidos. Estos métodos tienen ventajas superiores para varios casos según su aplicación.
La técnica de estado no estacionario (también conocida como dinámica) es el método más utilizado para medir la concentración de OD. Se basa en el monitoreo de la disminución de la concentración de OD con un electrodo de oxígeno al cortar el aire (oxígeno) que alimenta el biorreactor, y el aumento de la concentración de oxígeno al realimentar el aire (oxígeno). Básicamente, el nivel de OD se espumosa con nitrógeno o se reduce a cero añadiendo sulfuro de sodio. Luego, se sigue el aumento de la concentración de OD en función del tiempo.
El método de estado no estacionario consta de dos etapas: consumo y absorción. La aireación se detiene y el OD disminuye debido a la respiración celular durante la etapa de consumo. En la etapa de absorción, se reanuda la aireación y el OD aumenta hasta alcanzar un estado estacionario. A menudo es difícil obtener un kLa preciso utilizando el método de estado no estacionario. Porque, en primer lugar, las suposiciones sobre el grado de mezcla de la fase gaseosa deben elegirse correctamente. En segundo lugar, el tiempo de respuesta del electrodo debe ser rápido. Sin embargo, es comúnmente utilizado porque da un resultado más preciso.
Durante la transferencia de oxígeno del aire al agua, la resistencia real ocurre en la capa de la película líquida en la interfaz. Dentro del biorreactor donde no se consume oxígeno, cuando se desprecia la resistencia en la fase gaseosa, el cambio dependiente del tiempo de la concentración de OD viene dado por:
qOx=kLa(C∗−CL)=OTR
donde:
- kL es el coeficiente de transferencia de oxígeno (cm/h)
- a es el área interfacial gas-líquido (cm²/cm³)
- kLa es el coeficiente volumétrico de transferencia de masa (h⁻¹)
- C∗ es la concentración de oxígeno disuelto saturado (mg/L)
- CL es la concentración real de oxígeno disuelto en el caldo (mg/L)
- qOx es la velocidad de transferencia de oxígeno (mg O₂ L⁻¹ h⁻¹)
El sistema en el STR no está en estado estacionario durante la reoxigenación. En este paso, la velocidad de cambio de la concentración de OD es igual a la velocidad de transferencia de oxígeno del gas al líquido. Si la velocidad de cambio de la concentración de OD con el tiempo es igual a cero y la concentración final de OD como valor estacionario es igual a CL (C∗=CL), se podría obtener una expresión.