TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN PROCESOS FERMENTATIVOS

TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN PROCESOS FERMENTATIVOS

Ingeniería Biológica, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

Resumen: En este trabajo se determino el coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno (kLa), por el método Iodométrico, en erlenmeyers sometidos a la acción de un agitador (130 rpm aproximadamente) a temperatura ambiente. Así mismo, se determino el efecto que sobre dicho coeficiente producen parámetros como volumen del líquido y existencia o no de bafles. Se encontró que a mayor volumen de liquido el coeficiente es menor, y que con la existencia de bafles también se hace menor; debido a que en dichas condiciones el área de la superficie de contacto entre las fases es menor, por lo tanto, también la transferencia de masa.

Palabras clave: transferencia de oxigeno, coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno, método Iodométrico.

1. INTRODUCCIÓN

En el metabolismo aeróbico el oxigeno (O2) actúa como último aceptor de electrones, siendo este proceso clave para la generación de energía (ATP). El oxigeno es el sustrato gaseoso más importante para el metabolismo microbiano y el dióxido de carbono es el producto más importante. (1)(2)

Debido a la baja solubilidad del O2 (en agua 7 mg/L a 35°C; en un medio de cultivo, aun mas baja, gracias a la influencia de los ingredientes del cultivo), y a que los microorganismos son capaces de utilizar solamente el oxigeno disuelto, es necesario suminístralo continuamente al medio. Para lograrlo, es necesario transferir O2 desde la fase gaseosa (normalmente aire) a la fase liquida (medio de cultivo) de modo permanente. (1)

En el diseño de reactores destinados a cultivos aeróbicos es de fundamental importancia tener en cuenta el aspecto mencionado anteriormente, ya que las condiciones de operación en las que se lleva a cabo un proceso influyen positiva o negativamente sobre la velocidad de transporte de materia, y por tanto, sobre el valor del coeficiente volumétrico de transferencia de materia, kLa, gas – líquido. (3)

Las condiciones de operación que pueden afectar el valor del coeficiente, son la configuración del reactor y las condiciones de operación, como la velocidad de agitación, el caudal de aire suministrado y la fracción de fase orgánica. (3)

Uno de los métodos para analizar la transferencia de masa entre una fase gaseosa y una liquida, es con el modelo de la película, que considera que el transporte de los compuestos en un cultivo ocurre por el movimiento del fluido y por difusión (gradiente de concentración). Primero se da la difusión del seno del gas a la interface gas – líquido, luego el movimiento a través de la interface, el transporte convectivo en el seno del liquido, la difusión a la interface liquido –solido, el transporte a través de la membrana celular, y la difusión intracelular hacia el sitio de la reacción química. (4)

2. MATERIALES Y METODOS

Reactivos

Solución de Na2SO3 0.2 N

Solución de CuSO4 1 M (Catalizador)

Solución de I2 0.2 N

Solución de Na2S2O3 0.075 N

Solución de almidón 1%

Materiales

Tres erlenmeyers de 250 ml (uno con bafles)

Agitador rotatorio

Pipetas

Micropipeta

Gotero

Bureta

Base y pinza para bureta

Beakers para titular

Termómetro

Procedimiento

Se preparan las muestras agregando solución de Na2SO3 de la siguiente forma:

Erlenmeyer sin bafles con 50ml de solución.

Erlenmeyer sin bafles con 75ml de solución.

Erlenmeyer con bafles con 50ml de solución.

Después de adicionar las cantidades indicadas con ayuda de una pipeta; se procede a añadir el catalizador hasta alcanzar una concentración de 10-3 M, es decir, se añaden 75 μL a B, y 50μL a A y C (los volúmenes mencionados se hallaron por medio de la ecuación 1).

V_1 C_1=V_2 C_2 (1)

Por último, se colocan las muestras en un agitador rotatorio a 130rpm; lo cual permitirá que mayor superficie del líquido entre en contacto con la fase gaseosa.

En el tiempo cero y cada media hora a partir de este, tomar 2mL de muestra, adicionar 3mL de solución de yodo y 4 gotas de solución de almidón como indicador. El exceso de yodo se titula por retorno con la solución de tiosulfato.

Se debe medir la temperatura de los medios para cada tiempo, ya que esta será necesaria a la hora de realizar el trabajo matemático.

Se registran los datos obtenidos en las titulaciones (volumen de tiosulfato) y se realizan los cálculos pertinentes (kLa).

RESULTADOS

En la Tabla 1, se registran los mililitros de tiosulfato de sodio gastados en cada una de las titulaciones realizadas; en total se ejecutaron seis tomas para cada una de las muestras. En la Figura 1, se muestra la grafica de los datos registrados en dicha tabla, con la respectiva línea de aproximación lineal para cada montaje; también, se puede observar la ecuación de dichas rectas, las pendientes se resaltan en la Tabla 2, ya que serán de gran utilidad a la hora de realizar los cálculos.

Tabla 1. Volumen de tiosulfato de sodio empleado en cada una de las titulaciones realizadas para las diferentes muestras

Tiempo (h) Volumen tiosulfato (ml)

Muestra A Muestra B Muestra C

0,0 25,4 25,6 26,3

0,5 26,5 28,3 28,2

1,0 28,7 29,3 30,8

1,5 29,2 30,0 29,7

2,0 30,9 30,3 31,0

2,5 30,4 31,1 31,7

Figura 1. Grafica del volumen de tiosulfato vs. tiempo

Tabla 2. Pendientes de las rectas trazadas para cada muestra

Pendiente de la grafica (L/h)

Muestra A 2,21E-03

Muestra B 1,95E-03

Muestra C 0,00196

Para calcular el valor del coeficiente volumétrico de transferencia de oxigeno, emplearemos la Ecuación 1, donde C* es la solubilidad del O2, m es la pendiente de la recta, N es la concentración del tiosulfato y Vm es el volumen de sulfito.

k_L a=1/C^* ∙(m∙N)/(4∙V_m ) (2)

Para determinar el valor de la solubilidad, empleamos la Ley de Henry, la cual nos dice que la presión parcial (p) del soluto en la fase gaseosa en atmosferas, es igual a la constante de proporcionalidad (H) por la fracción molar del soluto

...