Determinación del área interfacial específica en un biorreactor de columna de burbujeo

Abstract

En la industria biotecnológica la gran parte de las fermentaciones son aerobias, por lo que los biocatalizadores necesitan de oxígeno molecular disuelto para llevar a cabo su metabolismo. Para ello se necesita suministrar oxígeno al medio de cultivo y garantizar que se transfiera de la fase gaseosa a la fase líquida y que esté disponible para el biocatalizador. El parámetro que nos indica la capacidad de transferencia de oxígeno en un biorreactor es el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (kLa) y se constituye del coeficiente de película líquida (kL) y del área interfacial específica (a). El área interfacial específica se define como la superficie de todas las burbujas presentes en una unidad de volumen de dispersión gas-líquido y se constituye a su vez, de la fracción de gas retenido (ε) y del diámetro promedio de burbuja de Sauter ( d2). En el presente trabajo se determina el área interfacial específica local mediante la obtención de sus parámetros constitutivos, es decir, fracción de gas retenido y diámetro promedio de burbuja, bajo diferentes condiciones de operación y con líquidos de diferente composición. Lo cual puede ayudar a futuros trabajos en el diseño de biorreactores para una óptima transferencia de oxígeno y productividad. Para la determinación de la fracción de gas retenido y el diámetro de burbuja se lleva a cabo un método de succión no isocinética y electro-óptico, que consiste en retirar un volumen de la muestra de la dispersión gas-líquido y posteriormente medir el volumen de gas y el volumen de líquido, al mismo tiempo un sensor infrarrojo detecta las burbujas que pasan a través del capilar lo que se transmite a un circuito contador que reporta el número de burbujas. El biorreactor con el cual se trabajo es de 14 L y se emplearon difusores de 2 y 12 cm, así como también se manejaron líquidos coalescentes y no coalescentes, y se varió la velocidad superficial de aireación de 0.2 a 3.42 cm/s. El método de succión no isocinética y electro-óptico es sencillo, económico y práctico. Se mostró un error de 8% en la determinación del área interfacial específica, dicho error que resultó de la propagación de los errores de la determinación de la fracción de gas retenido y diámetro de burbuja, en los cuales se obtuvieron errores máximos de 4% para cada método. Además es importante mencionar que se obtuvieron valores locales del área interfacial específica, lo que nos muestra cómo es que se distribuye la transferencia de oxígeno a largo del biorreactor.