.

I' C d R A C l ERI ZACIOX D2 UN i7LEi.X' 32 SIOLCGICO "

XO. DE 2iTRICULA: 79220218

/' FECIIh: 23 de Septienibre de 1083 -2

_I-

. .

1

. . . _0_1

.,

." L

...

r.,

.I

I

._ , ..

. * -

-- ,... I..

..."

..,

I ..

. ..

...I

.. w,

-.

I.

....,

... <

_.".

F..

..*.

r..

. ...

--- <i

. ,

r.

.... P-

._

2

IIESCLEN

E l presente t r aba j o posee l a s c a r z c t & s t i c a s de un2 inves-

t i g a c i d n en e l cmpo de l a t e cno l o g í a de l a s f e rnentac iones y

nace de l a necesidad de probar y c a r a c t e r i z a r exper inenta lnente

a un nuevo f e rxen tador de 25 l i t r o s de capacidad cue ha s i d o

d isezedo y construído i n t e r d i s c i p l i n e r i a a e n t e en 12 UI?M*C ( Cen - t r o de I n v e s t i g a c i ón sobre I n g e n i e r í a Genktica y Biotecnolo-

g:íe y Centro de Instrumentos).

Los ParSrnetros qüe

fueron : t ransf e r enc i a

ciencip. de mezclado y

se determinaron en l a c a r a c t e r i z a c i ón

de oxígeno, consuizo de ?o tenc ia , e f i - -

e l t ie ir2o de res idenc ia .

Con e l f i n de a n e l i z a r l e ca?acided de oxigenacidn y ag i -

t a c i d n en e l r e a c t o r b i o l ó c i c o s e deter::inÓ e l c o e f i c i e n t e

de t r zns f e r enc i a de :22sa ( k l a ) y 1 2 potencia. por unidad de

volurten (O>JV). Les condic iones de oserec idn fueron de G e 800

r p m y de G a 2 Vvü. Se observó también e l e f e c t o de l a vis-

cos idad aparente ( p a ) de un f i u í d o no newtoniano (C.-C) en

l a v e l o c i dad de t r ans f e r enc i a de oxígeno. Se l o g r ó obtener

dos co r r e l ac i ones : una en t r e ?g/V y 1: y o t r a en t r e e l k l a

e

Y p d v .

En cuanto a l a e f i c i e n c i a de mezclado se observó que e l

t i enao de niezclado e,Éxinio en e&ua pura. f u 6 de 5 a 25 seg.,

por l o que e l p r o t o t i p o es con-arado f evorab leAente con

o t r o s f e rxentadores de s i rn i l z res Carac t e r í s t i cas .

3

Para ccnocer e l e f e c t o de l a s cond ic iones de o2erac ión y gee- t r í a d e l si.ste.nz en l o s patrones de f l u j o dentro de l r e a c t o r

operando en sistecia contínuo, s e determinó e l tiempo de r e s i -

denc ia en l e f a s e l í qu i d z . Los experimentos mostraron que cuando

se opera con r g i t a c i ó n r c e ch i c a y aeración, e l patrón de f l u j o

dentro d e l fermentador puede ser ayroximado a 1 d e s c r i t o p o r e l

modelo de d i s t r i b u c i ó n de t i e n p o s de r e s i d enc i a para un tanque

ag i t ado per fectamente nezclado, mientras que cuando no e x i s t e

a g i t a c i d n necgnica n i aerac ión e l conportamiento d e l fermentador

se asroxima més a i f l u j o p i s tón .

De l e ca r z c t e r i zñ c i ón de iz ür idad de Fe r l en tac i ón se con-

c luye , entonces, que é s t a s e conpara favorableinente t an t o en

su capacidad de t r ans f e r enc i a de oxígeno como en l a t ras f e - -

r e n c i a de ene rg í a m e c h i c a y e f i c i e n c i a de mezclado con o t r o s

fermentadores de s i m i l a r tznaño y operando a l a s a i snas

condiciones.

De acuerda a l niodo de operac ión e x i s t en r e a c t o r e s >or l o t e s

(ZU), l o s cua les s e ca rac t e r i zan por operar con cargas d iscre-

t a s de r e a c t i v o s , comunmente 1la:mdas l o t e s . Zn e s t e caso, l o s

r e a c t i v o s s e introducen e l r e a c t o r , se es tab lecen l as condic io-

nes necesa r i as de g r es ibn y teio3eretura y s e 2rrr:iite que t rans - curra un deterraincdo t i e q o para que 12 r eacc i ón se l l e v e a c?.bo,

21 f i n a l d e l cua l se hp.brg procesad3 un l o t e ; por t f l t i no é s t e

s e descarga y queda e l r e z c t o r dis,onible ?ara. o t r o l o t e . ?or

o t r o l e do , e x i s t en 10s r e a c t o r e s contínuos, l o s cua les operan

con a l imentac ión y f l u j o contínuo de r e a c t i v o s y s e ob t i ene a

12 sa l i d - un fldjo taihuién contínuo de n e z c l e de groductos y

r e a c t i v o s no C0n:ju;iiid~Js. ¿os dos - r i n c i ? a l e s t i p o s de r eac to r es

continuos ,n<s : : : i? l ix iente ut i l izctdas ' son:

4

IKT303UCCION

E l fermentador e s e l equipo más importante en todo proceso . b io t ecno lbg i co , ya que es en e l en donde se l l e v a a cabo e l

c r e c i n i en t o y 9roducción de l o s microorganisnos y de los produc - tos ne tzb 6 1 i c ~ s res?ect ivanente , s iendo bás i co que e l f e raentador

posea l a s c a r a c t e r í s t i c a s adecuadas, z s í cono una instrumenta-

c i ón zdecuzdz y de a l t a ca l ided ,

Los r e a c t o r e s pueden c l a s i f i c a r s e po r su no30 de o ierac ibr !

o por l e s c a r a c t e r í s t i c a s d e l medio reacc ionante dentro d e l

r e a c t o r y e l estado f í s i c o de lc x e z c l a de r e a c t i v o s , productos

y ca ta l i z ado res .

. . ..

Reactor continuo de tanque e e i t a d o (RTCA) y

Reac tor tubuler con f l u j o p i s t ó n (RSF).

En cuanto a l segundo c r i t e r i o de c l a s i f i c a c i ó n de r eac to r es ,

c a r a c t e r í s t i c a d e l :cedi0 reacc ionante y e l estado f í s i c o de

mezcla, e x i s t e n r e a c t o r e s honogéneos y r e z c t o r e s heterogéneos.

los r e e c t o r e s homogéneos se l l e v a n a cabo reacc iones homogé-

neas, e s d e c i r en una s o l a f a s e ( l í q u i d a , s ó l i d a o gaseosa),

mientras que en los r e a c t o r e s heterogéneos s e r e a l i z a n r eacc i ones

heterogéneas (en dos o mks f a ses ) .

-. .3T”’.- .._. ‘...c-trou cue se 3 e t s x i i r s n en Ir. cer?c te r io rc i :5n <.e i?m

r e a c t o r de t m q u e a c i t z 8 o son, en genere l : e l c o e f i c i e n t e de

t r pns f e r enc i a de iies2 (kle: , e l c0nsu.r.o de 2o t enc i e nor u c i b d

de volurr.en ba . jo condic iones aereedns !2/T ), e l t i e x p o de iaezcle-

do ( t ) y e l t i e n a o de residencip, (7). 0

m

E l k l a e s una conductzncia t o t e 1 y representa e l rec í - roc0

de l a r e s i s t e n c i a t o t a l s. 12 t r ans f e r enc i a de ox ígeno en un

sistema gas-l íquido. Este c o e f i c i e c t e es función de 12. Eeoz e t r i ?

t o t a l d e l s i s t e r e y de l as condic iones de opera.ciÓn y ?er.:.ite

hece r cospe.raciorAes con o t r o s ferr::entad2res 3e l e 2is::ie cz.ye-

c i d ed operando en condic iones siri..ilares.

.

La ? J v e s un p a r h e t r o que ind i ca , :.or un l ado , 13

e f i c i e n c i a de 12 t r e n s f e r e n c i a de erieryía r!!ocSnica requer id3

para mentener l a homogeneided d e l fluido de t r a b a j o (lo c u d s e l o g r a con a g i t z c i ó n y i o c e r e c i j n ) , y ? o r e l o t r3 , norque se

ha observa32 quo, en i j enere l , UI: eu:2:11.t0

n i t i d e e.1 f l u í a 0 z.u?enta 01 v a l o r de kla c idn .

en le po t enc i r trans-

en una c ier tp . 2ro;)or-

5

. .

6

E l tiein20 de mezclado e s una medición usada frecu.enteniente

para determinar l a capacidad hornoceneizante de un s i s t ena de ag i -

t a c i ó n rnecjnica y se d e f i n e con3 e l tiempo necesa r i o ?ara a1ce.n-

z a r un grzdo e s 2 e c í f i c o de u n i f o n i d a d después de que s e ha

añadido un "pulso" de un t ra zador (vr. ác ido o base) a una masa

homogénea previamente ag i tzda.

P o r ú i t i n o , un pzrámetro ú t i l en ei ulá i i s i s y diseño de

b i o - r eec to r es con t i r xcs es e1 conce:~,to de ? i s t r i h ü r i 6 n de

t i e z ? o s 3e resi5or.cia (:?'?:I). :<I t ie ixcs se r e s idenc ia , t , t e

una p a r t í c u i z e s s i q l e i - e n t e el t i e z p o e f e c t i v o o r e a l que

é s t a pe rnmece en e l r eac tor . La func ión de distr ibución

de , t i empos de r es idenc ia , ~ ( t ) , es i a f r a c c i ó n de pzrt ícuizs

en e l efluen<;e que t i enen t iempos de r e s i d enc i a menores a t.

T(t) se 2uede ob t ece r directsxcn'e üe 1- r e c p o s t z d e l r e a c t o r

a una etapa de cambio en l a concentración de entrada. Una v e z

ob ten idz l a RTD s e puede cosparar con l a s curvas para l o s

patrones de f l u j o i d e e l e s o b i en , nateniáticanente, con l o s

modelos ?ara f l u j o no i d e z l y de e s t a m n e r a determinar que

patrón o aode io de f l u j o puede representar 10 m& f i e i n e n t e

p o s i b l e l o que e s t á ocurr iendo en e l s i s t eaa .

-

-

ANT 3CZDE?TT ES 7

k p r i n c i p i o s de 1981 l a U1iAi.Í e s t ab l e c i d un Convenio de Cola - borac idn con e l I:,:SS denominado "Desarro l lo T e cno l i g i c o de l a

I n g e n i e r í a Genética", cuyo o b j e t i v o f i n a l es l a sroducc ión de

insu l ina himena po r c u l t i v o ae rób i co de cepas ba r t e r i anas t rans - f o r m d a s genéticeinente. 31 gru30 de i n v e s t i g a c i ón de c a r a c t e r

a u l t i d i s c i p l i n a r i o que s e f o r d cons ideró que e ra muy importante

poder contar con un f e m e n t z d o r instruiaentado de a l t a cz l idac !

y e f i c i e n c i a para poder r e a l i z e r e l mencionado proyecto . ?ara

e l l o , e l i n s t i t u t o de Inves t i gac i cnec S ionédices , e l ?entro ?,e I n v e s t i g a c i ón en I n g e n i e r í e Genkt i c2 ;y Z i o t e c n o l o g í e y e l Centro

de Ins:ru.;isntcs, todGs de In T T ' T ' - ' ..,., d e c i d i e r m mir esi::crzo3 y

e s t a b l e c e r une es t recna co laborac idn para e l disef lo y construc-

c i ón de un ferr ientador de 2cero inox idab l e tots1::iente instru-

rientadu, que sud iese o3erar autonáticz; :ente y 2 l a v e z ?er:.ii-

t i e s e generar uni. t e cno l o g í a pro- ia , c i e n t o por c i en t o ;itexi--

cana, que asegurme l a au t o su f i c i enc i e de e s t e t i p o de equir>o,

e s c e n c i s l ? r r e e l d e s e r r o l l o de 12 b i o t e cno l o z f z :iiexic:.se.

Este equi-s fué dise:izdo con i a p f i r t i c i psc i ón &e un Gru;o

m u l t i d i s c i p l i n a r i o de i n v e s t i g sda r e s un i v e r s i t n r i o s y i e b i do

e e i i o s e io& d i s e s e r y co f i s t ru í r un fer.:.entrcior con carz.--

c idad de 25 l i t r o s , que ;asee innovac iones . t ento en su disei io

cono en su construcc ión y o?erec idn, y s e cons idera que e s t e

e2ai-o cs!:i?ite favorab:e:..ente cup. o t r o s s iz i l z i -cs C e s ? ~ an -7iint::

de vistr. t écn ico .

.. 8

Una v e z t e m i n a d e l e fabricF-ciÓn d e l fer.:enttidor p ro tU t i ?o

se e s t a b l e c i ó k neces idsd de ? robar lo y c a r a c t e r i z a r l o ex2er i - Eentalriente. i.ctual..en‘te éste se encuentra en e l Labora tor io

de % c a l m i e n t o d o l I n s t i t u t o de Inves t i gac i ones Bioaiédiczs,

en donde se han l l e v a d o e czbo feridentaciones con buenos r e s u l - tados.

OBJETIVOS

Carac t e r i za r a un r e a c t o r b i o l d g i c o , deterrninondo e l c o e f i -

c i e i i t e ?e t r x i s f e r e n c i e de ~ L ? S L ? (k la ) , l a potenc ia transinitids.

c?ri : e r c c i j n ? o r unid23 de wiu:.:on ( O /V), e i t ie-po de :.iezciz.&o

(tin) y e l tiein70 de residenci;: (t). - g

La c e r a c t e r i z z c i ó n d e l fermentador p r o t o t i p o perrnite conocer,

evaiu2.r y co:!ipircr los ;z.r&etros 26s i m s o r t m t e s cue se u t i i i -

zrn en Ir onercc ión y con t ro l de l os . 2rocesos fer: . :entzt ivos, <, :-..,<-

e l dise+To y construcc ión de nuevos fer::!entad3res.

. . i t . . ! c L_ ,.:.-tcc$*.-o ~q-:L.a-~s f~l::..~ c>!: e‘ ., -ir. C ’ corre;.irlc.s I ._ _ - -

1. FEX .Ei:o,k30R

k unidad ?e fer: íentscibr. cue s e c e r a c t e r i z ó fué construías

? o r e l Centro de Instrunentos de 19 Uil22 (CI-UXk.2). La. Uniazd

gosee: E; <:. .,ister.e.s de ; ~ e c i i c i j n y cont.r.ol de ye::.?erztarz., ?x, ox ígeno

d i s i i e l t o , ve1ocid::d 6e c:citrtci6n y un c o c t r o l auto::.itico 6e

esI.>u.xa. ( ? i p w F . 1) .

b )

C:

iá

. . 9

Cuba de fer,,ieritcciÓn de Lcero i n o x i c e o l e de 25 l i t r o s de

c rpac idzd y Sonorte .;ec$nico (FiEurs. 2).

Z s t e r i l i z 2 d o r de va?or con cn2acids.d de geners.ciÓn de

C;& de vagor/h ( Y i g u r E j), el cua l periiiite l a e s t e r i l i z e c i ó n

‘ i n situ‘ 6 e l f en ient t idor y s e d i o de c u l t i v o .

9.5

l a f i g u r a 4 1:iuestre un c roou i s de 12 cuba de f e r z en tac i6n ,

cua l posee 12s siguier.ltes r e l a c i o n e s geométr i c zs :

Di/DT = 0.36

“/Di = 3.97

Hm/ = 2.3 DT

Ze t r z b 2 j 5 con 3 ir;?Ulscres de tu rk i c z de h o j z :l;.r,e. ccn

r e l a c i o n e s Se:

w i t /3i = 0.27 -Yhoj,/l)i = 0.22 ‘“ho j a/%o j a = 1.25 hojz

31

pec to

Z1

ess?.ciarriiento en t r e l o ’ s i q m l s o r e s f u 6 de uno con r e r -

a l d i&e t r o d.el impulsor ( E . = Di). 1

burbuje;dor ?Osee 27 o r i f i c i o s con un d i&e t r o de0.3ca.

31 di&..etro d e l a n i l l o 6e e e r e c i ón es de 9.7 cm.

2. ?”L’J?20S

F T G U R A ~ L - V I S T A DEL MODULO DE CONTROL DE pn.

F1GURAi . b . - V I S T A D E L MODULO DE CONTROL DE O X I G E N O .

-i

.". I

F I G U R A ~ ~ . - VISTA DEL MODULO DE CONTROL D E T E M P E R A T U R A .

.̂ .,

-...

. i I

1

I " U - !

_- F I G U R A 1i.- V I S T A D E L MODULO DE C O N T R O L DE E S P U M A .

c

I

,I

! - . i i 6 :

FIGURA^^.- VISTA DEL CONTROL DE LA VELOCIDAD DE AGITACION.

t . 1

FIGURA If.- VISTA DE LA FUENTE DE ALIMENTACION DE LAS BOMBAS.

l l a v e

l l a v e i n d i c a d o r d e l n i v e l

d e l agua

FIGURA 3. - VISTA DEL ESTERILIZADOR ( g e n e r a d o r de

. v a p o r ) Y SUS PARTES.

. . .

. . r

*.._ y e l o t r o !?o nentonirno, nseudo? l$st ico ( s c luc i ones r c i ~ ~ s : s de

r.

cerbox i>qe t i l ce lu losa e l 0.67 y 1.5s). Lris proaiedcdes f f s i -

c e s y reoldgic,-.s de e s i o s f l u i d o s se present:! en Ir. T ? b l e 1. L...

,...,

L .

Tkbla 1. Propiedades f í s i c2 .s y r e D l 6 ~ i c z . s ?e l o s f lu íc iss .

Flulc?o ( 69crn3 ) n (ad iz iens ione l ) Y~ (üinF.:s seg CinL

1. & u 3 1.c CXC C.67$ 1.0 0.716 3.04

.- n

- -

c:..c I. 5:; 1.0 0.556 31.3

i:uestra y datos de n y Y; proporcionados >or ^,uímica Hércules, S.h.

..-

1 1

. .. I .. ..* . ." ._

..

... "

. i,. .̂

.. <.- .. L L

_I

-3

-. I igiira 5. Dinamdrnetro de t orsidn (CIJ2;fAu).

. .

entonces: P/V = ClJd

en donde : c = constFnte

Xn la figure 7 s e p rese r ta un esqueria g ene ra l Para l a de--

terni inacidn d e l k l a , e l cual fué deterriiinedo con una t é cn i c a

modi f icada de s u l f i t o de sod io que cons i s t e en c o r t a r e l su--

c : in is t rc &e n i r e , i o g r e r la desorciór. de oxlgeno zcadiendo ur,e

so iuc ibn satureda de s u l f i t o de sod io y una vez que se i l e g a a

un n i v e l de sa turex ión pre-deter3:inado s e i n i c i a l a aerzc idn

de nuevo y s e mide l a concentrecibn do oxígeno en e l l í q u i d o

con r es2ec to rl t i enpo por :riedio de un e l e c t r odo Eedidor Ce oxlgeno. & este ceso s e usó un e l e c t r odo de oxígeno construído

po r e l Centro de Instrurner,tos-Ui;i:l.:. La se321 2 e l e l e c t r odo fué

r e g i s t r e d a con un g z f i c z d o r V a r i a 9176 a un2 v e l o c i & d de c a r t a de 0.5 cm/mic. Lis f i s u r a s 8, 9 y 10 pesen ts r . curvas

t í i i c r s obtenides con e s t e t é cn i c z . Z i :<La s e c a l cu l ó como l a

gendiente de una r e ~ r e s i d n l i n e z l e q t r e dcjc7.t y e*'- c

Zebido F. l a m l t i t u d de drtos -or c m r e i z c i o m . r , dicho c g l cu l o

se r e a l i z ó con un pr0,rre:r.a 6e co::i>utacih (?;-SIC) e l cual se

::uestre en i 2 f i cur? . 11, obteniécdose r̂ ae:;:E;s la g r á f i c z co-

r res3ondiente ( v e r f i g u r z 12 ) .

L '

- ,

P

!

...

...

r. . a -I SL L. .

.." . y

r'. . o I . * u _"

.-. - I t

u I

I-

u

w

h

V

P. I-

u %,

I-

O 2

. . . . . . . . . m Q m Q a w IZi Q E' - ?l P7 d m w r- co

I

,

.n< .

J

18

* O J

o 6

9 * -

9 i N O O

i

. .

20

o

/ ' ' /'

#

f ' 1 I I I

' ' /

0 8

*d O '

en i n y e c t z r 10 1.11 de t i n t a a zu l (Shez f f e r , ,.z-L) y medir c o l 2

r imktr icauente l a concentraci6n d e l traz: ,dor a i n t e r v z l o s de

tiempo m y pequeños. Las muestras s e obtenían con una boniba

p e r i s t z i t i c a (Cole-lermer 7016

L e l e c t u r a de las -nues t ras se r e a l i z ó a 590 nm en un e spe c t r o f g

tdmetro (Bnuch 8: Lonb? s p a ) . E l t i enpo de mezclado se obtuvo

como e l tiempo a l cua l l a concentracidn d e l t r a zador no v a r i ó

en más d e l OOl$ d e l v a l o r f i n a l de concentración

e j eno l o expe r i x en ta l se inuestra er, l a f i g u r a 14.

operando, a l a rráxiea veiocid2.ü.

(t99). Un

La f i g u r a 1 5 nues t ra e l esn.ueir,a genera l p z ra l a de te r r ina-

c idn d e l t iempo de r e s i d enc i a (experimento estímulo-respuesta).

Se usaron dos bonibzs p e r i s t á l t i c a s (Cole-?ariuer 7016 para cos-

t r o l a r 12s c o r r i e n t e s de entr-dti y s s l i d a d e l fer :entator ,

u t i l i z andose 30 al de t i n t a E Z U ~ ( S h e e f f e r , ; ) cono traza?.or.

La inyecc i ón se r e e l i z a b e en l a fama de un pulso de 3 i r a c en

la c o r r i e n t e de enti-z.de y l a concentrecidn de t i n t a er. l a co-

r r i e n t e de s e l i d a s e detectaba co l o r imé t r i caxen te (590 nm) a

i n t e r v a l o s de t iempo estab lec idos .

f a s e i í q u i

pulsa

e u e $ 0 st r a s

F i e r a 15. 3izpa-,z pars Ir de t om in r c i dn d e l tiempo de r e s i -

dencia ( ex-eri:nento estí : .uio-resFucsta) .

21

. .

RGSULTADCS Y DISCUSION

La f i g u r a 16 xues t ra l a r e l a c i ó n en t r e l a po tenc ia ppr uni-

dad de voluken y l a v e l o c i dad de z g i t a c i ó n para e l s i s t e x a

aire-agua, con la v e l o c i d z d de aerac ión cono p a r h e t r o , obsex

vSnd.ose que a a l tas ve l oc idades de z e r z c i ón (1.5-2 VV:.:) ia po t enc i z p o r unidad de volumen puede disminufr hasta en un

40$ con r espec to a l a potenciz . consumida s i n aeración. 3ebido

í! que en ge f i e r z l se Ix. e s t & l e c i d o ccmo c r i t e r i . 0 .3e d i r e s o que

e l n i v e l g6ecuzc’o zc 2ster.cis. t r r z s n i t i d e :-?. fiurlcio e n feri..ec-

t ado res p i l o t o y s em ip i l o t o e s

se observa que e l p resente s istema a lcenza con sobredo é x i t o

este n i v e l operando aproxinadaTente a 500 rpni..

? ’ . e.lrededor de 5 %?/ma ( r e f . l),

En l a s f i g u r z s 17 y 18 s e presenta l a misma r e l a c i ó n en t r e

P V y N pare los casos de so luc iones acuosas de C!.X a l 0.67

y 1-55 respect ivamente, ob s e r vbdose que e l e f e c t o de l a ve lo -

c idad de aerac ión en l a disminucidn de l a po tenc ia en so luc io -

nes v i s c o s m ( pe7 360 cp) e s menor que e l observado en e l sis - tetxa Eire-agua, adeczs de que para a l c enza r e l n i v e l recomen-

dedo de po tenc ia ( 5 EP/m ) s e r equ i e r e operar a>roxiniadar,ente

a 700 r*m pera e s t o s s istemas v i scosos .

d

3

50s e f e c t o s de l a v e l o c i d ed de aerec ión en l a po tenc ia

tranmitide s e s b s e r v a x e j o r en las f i g u r a s 19 y 20. Le fi--

cura 19 xues t ra que l e ve loc idzd de aerac ión, reyrc$entcda

coso el ndxero de i.eraci6n:

i n f l u y e ;gds en l a 6is:xinucióri de l a pote i ic ia u :Redido que se -

2 2

. 2 3

Y

'C T d

t

i I

. . .. .

*. ~

I ,

.. ,. I-

.. >“

..”. r -

L. . .

*.

.., ..

1 c s J

2

14

.

. .

(do 4 0 o r l G a l a l >

ó. m PlaJ

. . . < 25

I . .

..

" I

!._

. ,. . i-

."" I

._

.

z

. .

26

IO

Figura:'. P o t enc i a ?or unidad de v o l m e n vs. N h e r o de ae rac i ón a d i f e r e n t s ve l oc idades de ag i t a c i ón . Sistema aire-agua: 0200 riin

aire-CIX 1.5%: e200 min'l, i 4 0 0 nin-', *6CO Din-', a700 nin'l.

-1 -f 0400 n i n *6GC nin- l , 0700 u in -1 *EO0 nin- l . S i s t e s a

. .

. .

27

t i e n e una agitr?.ción m5s v i go rosa (N) 2CO rpm) y que e s t e e f e c t o

es m$s msrcado en :j&ua pura que en UI? s i s t ena v i s c o so ( C Z C 1.55)). Este fenómeno e s d e s c r i t o p o r schüger l ( 2 ) , cox0 una va r i a c i ón

en l a h id r od inh i i c a de l a burbuja de r?.ire en so luc iones m y

v i s c o sas . - La f i g u r a 20 m e c t r a l a r e l a c i ó n P P y e l n h e r o de z e r a c i ón

a d i f e r en t e s v e l o c idades de a g i t a c i ón , corroborándose l o expuesto

anter iormente en e l s en t ido de que l a po t enc ia b & j o ccn~~,,,ones

aereadas disminuye hes ta en un 40% con r espec to a l a po tenc ia

s i n aerac ión, a d e d s de que e s t e efe';to e s menos xarcedo en so-

l x c i o c e s de :::C. gebe adv e r t i r s e , s i n er:bz..rgo t c s r,scectDs

i q o r t z n t e s : T r i : i e r o , 12. r e i v t ó ? ? /P es niuy s z r e c i h . Fzrz. zcua E

y CiLC a v e l o c i d W e s de a g i t a c i ó n a l t a s y ve loc idades de aera--

ciÓn muy b a s s y , segundo, l a r e l a c i ó n Pg/P vs. Na aquí presen-

tada es considera.bleiiden$e d i f e r e n t e a 12 r e l a c i ó n p e s e n t a d a por

Oyana y Endoh ( r e f , 3 ) para un s i s te i i a de a g i t a c i ón s i m i l a r r.1

d e l presente t r a b a j o ( impulsor de turbina) . Esta d i f e r e n c i a es

debida a que e l t r a b a j o o r i g i n a l de e s t o s inves t i gadores s e

l l evó a cabo 2 una s o l a velocid2.d de ag i t ac i ón , la c u d s e man-

tuvo constante 2 l o l a r g o de toda su ex~e r imentac i ón , no obser-

vando entonces que l a v e l o c idad de a g i t a c i ón i n f l u í a también en

l a r e l a c i ó n F P vs. iJa. Esta d i sc resanc ia e s apogzda ? o r e l

t r aba j o de Láce e t al.. ( r e f . 4 ) ouienes obt ienen un2 r e l a c i ó n

P P vs. Na s i m i l a r a la' obtenida en e l presente tra.bajo.

B

6

d Obtención d e l modelo ~ ~ . ~ t e r n ~ t i c o .

Los resu l tados de las detera inrc iones

d n d de volu;.ien ??era e l siste.. ia a i r e s&.ua

de po tenc ia ? o r

fueron t r a t a b s

uni -- :rat e-

\-

O O O O

.

Obtención de l a c o r r e l a c i ó n de ?&I

D e t e m i n a c i b n d e l torque .

1 .1 -1 1 1

C á l c u l o de P

Cdlculo de ?g/V

PgjV vs. N

k' vs. vs

c o r r e l a c i ó n g e n e r a l :

1.2 4 - 2 3 ' 9

?g/V = X I?

?i ,gura 21. Trrat2ziento nzte .nSt ico 3 x - c Ir obteticidn de

c o r r e l e c i ó n dr! le( v.

29

. .

3 0

mát i cmen t e

co r r e l ac i ón :

como s e i l u s t r a en l a f i g u r a 21 para obtener l a

1.2 - 0 e 2 3 S

p g v = KIi v

en donde:

P B V = HP/m3

K = 0.006

-1 N = m i n

;st& c c r r e i z c i ó n r e present? en le f i g u r a 22. Se -,*ede obser - v a r que l os datos exper imentales t i enen t odav í a una l i g e r a

teneencia exponenc ia l , l o cua l se observa como un t r a s l a n e de

l o s puntos con l a r e c t a . Esto i n d i c a que t odav f a e s Y o s i b i e

l i n e a r i z a r a l os datos con alguna va r i ab l e , l a cual puede ser

una función de l a geometr ía d e l sistem. S i n embargo, l a corre-

l a c i ó n s e pro2one como buena debido a que

datos ex2er iuenta les .

Comparando l a c o r r e l a c i ó n obtenida con

en l a l i t e r z t u r e y que se presentan en l a

+ p r ed i c e - 307: l o s

algunas repor tades

Tabla 2, s e observa

una d i s c r e i anc i a en l o s v a l o r e s de los exnonentes a s í COIW en

l a f o rna rnisze de c o r r e l a c i o n e r l a s v e r i ab l e s . & t o es' c a r c i z l -

Liente e x p l i c a b l e debido a cue e s t a s de te rn inoc iones s e han

r e a l i z a d o en gene ra l con sistei:ias con Feometría estáni-sr y un

s o l o iLipulsor. S i n enbargo, ;,ocas t r aba j o s han cocsiderado la

necesided de c o r r e l a c i ona r i d V cor. N y v concretgndose a co r r sbo ra r 13 for::. c l z s i c a de c o r r e l a c i ón

N vs. He (Xushton e t a l , r e f . 15) o l a c o r r e i o c i dn a*.ipli:l-

d i rec tanente , S

P

. .

31

mente u t i l i z a d a de . . i c h c l y . , i l l e r ( r e f . l 6 ) , edn y cucndo se

hz observado (A iba, ref . 7 ) que l a c o r r e l a c i ón más func ional

pudiera s e r una d e l t i p o :

( G = f a c t o r de geometría) P V d f l p ( v B * G d - S

Corre lac iones pa re est imar s o t e n c i a

Autor Cor r e l ac i ón r e f e r e n c i e

16

Gyaniz y Endoh ?g-P /?-O = exp( -a/)??)

P.iba y Okabe

3

( d e r i v a c i 6n t e ó r i c a 1

3 m 2 3 - 1 5 Luong y Volesky Pg/P = C( a/XW ) (11 D i p b / c )"

3 -1 = flujo vo iunktr ico de z i r e , c? xiin

a = co - s tmte

NI = núxero de ae rac i ón

V = voluaen, x

n, n = constz-ites

3

n,, , . a2

...

O

33

Los r esu l t ados de l a s aecerminnciones de k l a s e muestran en

l a f i g u r a 23 para l o s t r e s s i s t e x a s que se trabajaron. Debido

a l predoininio de l a s fue r zas v i scusas , l a v e l o c i dad de t rens-

f e r e n c i a de ox ígeno es nenor a medida que l a viscosidi .d atmen

ta . Se observa t enb i én que l a r e l a c i ó n en t r e e l k l a y Y V no

es l i n e a l y qqe l a po t enc ia ( y por t an to l a v e l o c i dad de ag i -

t a c i ón ) puede i n f l u i r más xarcadeqente que l a v e l o c i dad de

aerac ión sobre e l v a l o r de k la . P o r o t r o lado , es p o s i b l e es-

t a b l e c e r que 12s cond ic iones r e a l e s ds una fermentación esta-

r í a n en e l i n t e r v a l o de v e l o r e s de k l a detera inados en agua

pura y c.,:c 0.67.0, es d e c i r , que l a t r ans f e r enc i a de ox ígeno

e s adecuada ( k l a = 5CO-12GO h-’), s i S i e n e s c i e r t o que a medf

da que l a v i s c o s i dad aumenta e l k l a puede d i m i n u i r has ta en

un 70s con res ’ec to a l v a l o r obtenido en agua pura.

- d

.-

&-I cuanto a cómo s e compara e l f e m e n t a d o r con o t r o s simi-

l a r e s , en gene ra l s e e s t ab l e c e que l o s diseños de tanques ag i -

t ados para fer;nentación proveen de 8 a. 10gOz/i-h(ref. o ) , not&

dose que e l p resente p r o t o t i p o a lcanza v a l o r e s de t r ans f e r enc i a

de ox ígeno de 1 2 g de 0,/1-h. L

Obtención de l modelo ;üste!dtico.

La f i gu ra 24 muestra e l t r e t a n i e n t o dado a l o s r e su l t ados exper iuent&les 2 2 . n obtener l a c o r r e l a c i a n genera l de k l a . La

f i g n a 25 c u e s t r e 1.a c o r r e l a c i ó n general :

i

. . ,. 34

r

.- I " ,

b

. . 35

Obtención de l a c o r r e l a c i ó n de k l a

Determinación d e l kla

+ k l a vs. P&/V

I I

_...

._..

.,_,,

-I

. ,

_.,.

I..

c.

....

". ..

._,

n .

....

.- r<.

.....

, ,..

...,,

. ,,.

1 k' vs. vs

I .b

k l a vs. p a

I Cor re l ac i ón g enc r e i :

F igure 24. Trataxi iento c,n.ter.&tico para l a obtención de

l a c o r r e i a c i ó : ~ de kla.

. .. ,

-1

... C I

36

.

37

en donde:

p = g/'cni-seg a

+ y 12 for-o en que c r e 5 i c e -365 l o s r e su l t edos exper inent r l es .

?uede observarse que la To tenc i z ? o r unidad de volunen i n f l u y e

rids en e l kla que l a v e l o c i d zd de aemc idn , l o cual concuerda

con l a rnaysrza de l a s c o r r e l a c i one s 'obtenidas hasta l a fecha,

algunas de e l l e s s e ?resentan en l a Tabla 3. 3s i n t e r e san t e

no t a r que solo recientemezlte se ha puesto a tenc ión a l estu--

d i o de la i n f l u enc i a de l a v i s c o s i dad a2zrente en e l k l a en

l a f o rnu l ec idn de c o r r e l a c i one s en;ír iczs, e s t o e s serielado

por ;uintero, ( re f . 7), s i n e:ribergo s e hz observado que el

k l a 2uede d i s x i n u í r hasta en un 905 en so luc iones visc0sz.s

( re f . r;.

38

TABU- 3 *

Corre l ec iones pera e s t i m r

Aut o r Cor r e l ac i ón r e f e r e n c i a

0.95 0.67 11 Cooper k l a = 0.G635 ? g / v VS

0.4 0.5 N O . 5 :1 e 9

Richards k l a = K ig/v

l? 0.56 0.7N0.5xi0-3 9

Fukuaa k l a = (2+2.8)R'i(Tg/V) V

0.72v G.1; 7 Hospodka k l a = 0.56 ?g/v S

kia = 1.78 :T&J 0.33 0.56 1 2

4/33i1/4 1/2 7 S Tzguchi

liuzahrey k l a = (d + p 111 ITS

ivectertep k l a = X[l-d)/ii (B3i-Na3i) 7

I 0.65 k l a = ICV S

Hatch

....

. I..

c

39

. o

o

7-

iCC - . - . ._I

. .

Por o t r o i e ~ o s e r e c i i z ó une cs i i i x -ec ión de los resui taüos

exiieriinentF.les y la co r r e l a c i ón ob t e z i d e y In pred i c c i ón que

se t e n a r í a e n p l e a d o o t r e s c o r r e l e c i one s de k l a reportades en

Ir 1iterp.tura. Se er,pleeron dos co r r e l ac i ones : una es 12 co--

r r e l a c i d n de Cooper (1943) ( r e f . 11): ( v e r f i g u r e 27)

que f u e obtenida e11 un s i s t em de s u l f i t o y l a o t r a es la

co r r e l ac i ón de Taguchi (196G) ( r e f . 12 ) :

k l a = 1.78 lg/9 0.33 0.56 S

l a cua l f u e determinada en un f l u f d o no newtoniano de

Endoxyces sr>. y un volumen de 25,COO l i t r o s , observánduse que

l a p r ed i c c i ón d e l k l a enpleando la co r r e l a c i ón de Coo3er e s

eproxirnadaiiente e l doble de l v a l o r r e a l de kla, mien t rm que

l a p r ed i c c idn empleando la co r r e l a c i dn de Taguchi e s un poco

menor a l v a l o r r e a l . Xn gene ra l :se ha e s t ab l e c i do que l o s sis-

te:nas de s a l f i t o coa0 e l de Zoo2sor d a v a l o r e s de k l a 2 o 3 veces :,I& a l t o s e 10s r e d e s . ?o r e l c on t ra r i o , i a s estiroa-

cior.es er:?iew3o l a c o r r e k c i ó n ?e ?:ccuci.,i son menores, 10

cual ?ue?.c e t r ibuírsr P. que e l ex;?sente u de 1:: c u r r e ~ z c i b n

es :::czo?, debido a <ue é s t e es fi:.;A-ci& Ce la esca la de trz--

b e j o ( r e f . 7).

4 0

. .

4 2

4'1 tie:;,)o de nezc izda C O : ? ~ func ión d- l e ve ioc i2z .d de oGita - 'ciÓn se 2resenta en In f i g u r a 28. 3ebi2.o a conv iderac ioces de

d i s e zo t e l e s co:io l o s t i e q o s de cidiciór, y r e p e t i c i ó n <e los siste:i.as de c o n t r o l de 2:: de l a unidad de f e rnentec ión , e l

t iecipo de mezclado mixi:iio zdecuado para e s t e f e rxen tedor se

obt i ene cuan90 s e ose ra zprüxi;irdz.::;ente z 6CO rprn ( t % 5-1U se&).

?or o t r o lzido, e l e f e c t o de l a ve loc id.ad de aerac ión en l a

disx inuc idn d e l t i e x p o de Eezc lado s e o b s e r d coni0 ~ j u c o si&

f i c z t i v s , ::ún y cuendo EL esca1z.s :layores e s t e f a c t o r se vUelve

Xiés im?ortis".te (?ata e t a i , ref . 4 ) .

in

A1 igual que en e l . c a s o d e l t i emso de Liezcic.do, e l t i e r q o

de r e s i d enc i a s e determin.5 s6lo en e l siste:na aire-agua.

I...

b

43

= a r e . " . - . Tiexpo de mezclado couo funcidn de i a VelGCieEd &e e g i t a - c i bn .

. .

. . +, . ft o Y

4 4

i

. . r ,

. . 45

...

L "",. ..

4CS de l c s ; ! :-rtículrs inyectzfi2.s r l tie:npo t = O. Esto s e hi:

observrdo en t m a u e s ?.e ;.ercl,-.do' o e r f e c t o ( r e f . 13).

F e r e obscrver la i n f luenc i r . de 1e.s condic iones de o2erac ión

en l o s p t r o n e s <e flujo y s o r i o t en t o en e l t i e q o d e ' r e s i -

denc ie de l a s n e r t í c u l e s , s e k i c i e r o n t axb i én experirnenteciones

con l a s s i&en t e s var iac iones :

2) Se eii.i:inó ia a g i t a c i ó n mec&icz y s e operó s o l o con aera-

ción.

b ) Se e l i x i n b t z t t o l a a g i t a c i ó n a e c gn i c z como l a aeración.

Los resu l tados se ?resentan en l a I i c u r a 30. :%r- e l seyiin- . . . . < . . , I . :,.:-y" + < ~ - 2 I.' I., . ' i-7t^y-".: ,.. c.,-,; . - : . - . . . . I .. . ,A ,? 2P.F ,,

tie!n?os de i esF? .enc ie COD. m a d i s t r i buc i ón normal ( cu r v z gzussiz

na). Esto i c d i c a que e1 p t r ó n de f l u s o ?.entre! de? f e rmentx io r

e s ais q r o x i m ü a e: I ' l i i jo t226n, i o cua l e ra de es?erarse en

e.usencia cie a g i t e c i ó n i.iec&iica y e.eraci6n. En con t r z s t e , cur;n-

do se o2er6 sólo con 5;errcAcn: l e curva oYtenida s e asronims 2

I P S obten idrs con a g i t z c i ó i i i :cc&nica, ;er::,:n.ecier,do vá l ida l a

E3rox i r rc ión a l ::!odelo de d i c t r i kuc i ón .ie t im ,sos ?e r e s i d c n c i z

2 a - Z un tonoue ~ e g i t s ~do perfectai i :ecte : : :ex ledo.

.. ~

. ,

46 . .

. . C < <

."^

r

..

O U

O c

O t

O c

O rJ

O -

O c * c

6 i 6 4 B

* d

* c m .rl

4 7

. .

e i I;LZ er. c u l t i v a s eer5bicGs c.t i i izrr i<o 7 /V, 'is y jt

srr 5: et, r o s . ( 6 ) L: c s r r e l e c i d n cecerz.1 de kla ob tex id z se prn2one COIZO buem

dek,ir!o :: que e s c ~ ~ p e z de ? r e d e c i r s e t i s f c c t o r i m e n t e l e trpcs-

Ieref icip. de msa k c s t a e s c r l a s de 40,000 l i t r o s , según un es-

co!:io 2 G

t u d i o z.5~ d.etallz.í2o que x o s t r a r g l a u t i l i d e d de Ir correla--

cibr. - p , r ~ f i r e s de e s c a l ~ ~ ~ i . e n t o ( r e f . 14).

( 7 ) Y 1 t i e q o de zezclacio obteriido en agua pura y s i n e e rac i ón

va de 5 a 25 seE;undos, l o cua l e s congruer,te con l o s v e l o r e s

re?orta.'?s en 12 l i t e rp . tura y obter,idos en condic iones sisi--

l a r e s y a l e ri isne e s c z l a $.e trzbaj 'o , s i bier , es p r e v i s i b l e

que e l r:ezclado s e r í a fuertemente a f e c t z d o en so luc iones 21ta-

nier.te v i sccsas .

(P) Fundsjnenthdose en e l m i l i s i s de l a d i s t r i buc i ón de t ieci-

20s de res ider . c ia e s g o s i b l e e s t ab l e c e r que e l comportx:iier.to

d e l ferrr.er.tz¿ior p r o t o t i p o puede aprox i%arse e l node lo de dis-

t r i b u c i ó n de t i e z p o s de r e s i d e n c i a p.re un t z - que a&*tac?o ser -

f e e t en! en t e i:? e z c i a do.

48

. .

49

do s e t reb? , j e con f l u f d o s no ne.xtoiii~enos (36C-15CO c;>) l a i re lo-

c idad Se a é i t e c i ó n oás edecua2e es die 6Cü z 70G r , n m 2. IC Kisx.2

v e i o c i d z e de ee rec ión .

( 2 ) 3esde un punto de v i s t a de un ::iezclado e f i c i e z t e (t,:% 10

seg ) en f l u í d o s nefvtonianos de b a j e v i s cos ided , l e ve1ocidc.d

de ag i tac i t jn ztdecuada e s de 4C0 E 6G0 r p , in f luyendo l i & e r e -

nente i a v e i o c iü zd de eerzc ión.

Adern&, se sug i e r e e l n e j o r zn i en t o de l o s s i gu i eE tes ~.c->ec-

t o s en e l disedo de nuems f e rxentadvres :

a ) Sistema iie t r ansn i s idn (le er..ergfa niecchica ( po l eas ) , debido

a que s e observaron f r e cuen tes f a l l a s a l o l a r g o de l a exper i -

mentación. Sstes .po leas podr í en s u s t i t u f r s e ? o r sistemas de

cadems que n.e j o r a r f an l a t r ans f e r enc i a y e v i t a r f a n m y o r e s

?&did25 ;or f r i c c i ó n .

b ) Siste-a. de r g i r i l l a s de l a cuba de fer*?entacibn. XcYuzlmente

e l d i s e zo gosee t o s rn i r i l l a s , une suFer i o r y o t r a i n f e r i o r iue

que no periiiiten v i s u e l i z z r -or comsleto ~1 c u l t i v o , p o r l o que

se sug i e r e cz7kie.rk.s p o r une s o l a x i r i l l 2 rec tangu lar Era-

due&, que se extierii la a. l o L:.,rgD & e t g d o el fer:;en’e3or, c m

i o cue1 s e l o g ra rZ2 aicha visaa:izeci6n :.Aer:,’~ de ; e - r ? i% i r ün

l l enado o v ec i edo ids e - i c i c c t e ccjr 12 2:iI.iCF. (!e 1.8 escrLi2 era- duzda.

_ .

50

Zi<:..etrD e& tcn-ue

2'dturc d e l tpm+ue

j.lturz. d e l l l i i i i d o

3 i & e t r c del i r i2ulsor

La r ro de 12 hoje d e l i q t i 1 s w

Ancho t e l e hojz d e l i q u l s o r

L)isti,ncia de l a bese it!. n r i z e r impulsor

Anch.0 d e l C e f l e c t o r

D i s t i n c in e n t r e i::.yu;sores

!:L!mero de d e f l c c t o r o s

.'.&fiero de impulcnr i s

-

..

. .

51

BIBLIOG3APIA

1. kib,n, S. , L. E. Zumphrey y K. : . i l l i s , E i ocne - i c c l c n r i r , e c r i c - , Xcedemic ? ress , ;:uev? -fork, 1073.

16. L:icl;e?-, 5. J., y S.A. . . i i i e r , Power reouirei : !e its o f E m - l i - quid e f : i t a t ed syster;ic, A.1. cnex. 3;g . J., e, 252-266, 1962.

17. Lucng, IT. y E. Voleskg, I.iechz.tiical~poner re -u i rczents of g-.s-l iauid a g i t a t e d sys texs , AICk3 j., 25, E93-&95, 1979.

18. Richzras , ;. ';;., l o w e r in2ut t o f e r z e c t o r s x d s i x i i e r v e s s e l s , 13rIt. Eie:;. 3 g . , E, 158-163, 1964.

19. %ku&., y., f. Suxino y T. k.amCki , - 7 Scale-up o f f e r z en to r v .

I. :.:edified ecuat ions f o r volu;:.etric ox;r&en t r m s f e r c o e f f i c i e c t , d . i-eri:iect. Tech., 46, E29-837* 1968. - -7