COLUMNA DE BURBUJEO

Introducción

En el desarrollo de procesos biotecnológicos aeróbicos, un factor limitante en el crecimiento microbiano y por ende en el rendimiento económico del proceso fermentativo es la oxigenación que se haga del microorganismo, ya que este prescinde una cantidad mínima de oxígeno disuelto en el medio de cultivo para sus requerimientos metabólicos.

Se ha estimado que una población típica de células respirando activamente, consume oxígeno a una velocidad la cual es del orden de 750 veces el valor de saturación de oxígeno por hora en un medio acuoso; así puesto que el inventario de gas disuelto en el caldo de cultivo es considerablemente pequeño, este debe ser continuamente adicionado al líquido con el fin de mantener una población viable de microorganismos. La eficiencia del proceso de fermentación depende en gran parte de la cantidad y la habilidad del fermentativo.

El comportamiento de la concentración de oxígeno a través del biorreactor es vital para asegurar condiciones de equidad energética a las células.

II.- Definición de biorreactores

Es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo, en condiciones óptimas de cultivo y multiplicación, ya sea con un proceso aeróbico o anaeróbico, en el cual puede llevarse a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicas activas derivadas de dichos organismos para la formación de productos.

III.- Columna de burbujeo

Los biorreactores aireados son dispositivos generados para la transferencia de masa y la reacción química gas – líquido, en los cuales uno o varios gases son puestos en contacto para reaccionar con una fase líquida, un componente disuelto o suspendido en ésta.

En las columnas de burbujas, el gas se dispersa mediante distribuidores y aspersores exclusivamente, ya que no hay una agitación mecánica. Para mejorar el funcionamiento, la redispersión puede efectuarse en intervalos, empleando también mezcladores estáticos como platos perforados, puesto que el líquido puede ser claro o puede ser un lodo.

El diseño de las columnas de burbujas se encuentra dirigido para satisfacer las necesidades de las reacciones lentes, es decir, aquellos sistemas cuya velocidad de reacción es más pequeña que su velocidad de transferencia de materia por difusión.

III.I.- Tipos

 Columna de burbujeo simple. La más simple configuración de un reactor de columna de burbujeo es un cilindro vertical, como se muestra en la Figura 1. El gas ingresa por el fondo a través de un distribuidor de gas, el cual puede variar en su diseño. La fase líquida (fase continua) puede ser suministrada en lotes o ser alimentada en contraflujo a la fase gaseosa (fase dispersa). Por el contrario a las operaciones físicas de transferencia de masa, el contraflujo no ofrece significativas ventajas, pues la propia reacción conduce a caídas de concentración suficientes durante el intercambio de materia. El reactor es calentado o refrigerado por medio de un sistema interno de intercambio de calor.

Figura 1. Columna de burbujeo simple.

 Columna de burbujeo modificada. Existen muchas variaciones al tipo de columna de burbujeo simple mostrado, todas adaptadas a necesidades prácticas particulares; estos reactores son: de tiro de aire, reactores empacados, lechos fluidizados y reactores de lecho de goteo.

III.I.- Diseño

Los parámetros tomados en cuenta para el diseño de este biorreactor son:

1. Diámetro de la burbuja.

2. Velocidad de ascensión.

3. Fracción de contacto del gas.

4. Coeficientes de transferencia de materia kLa y kL.

5. Coeficiente de dispersión axial de la fase líquida.

6. Coeficiente de transmisión de calor a través de la pared del reactor.

Puntos importantes:

• El efecto del diámetro del reactor sobre estos parámetros es insignificante cuando D ≥ 0,15m (0,49 ft), salvo en el caso del coeficiente de dispersión. La aplicación de esas correlaciones es válida para los procesos: 1) cloración de tolueno en presencia de FeCl3 como catalizador; 2) absorción de SO2 en disoluciones acuosas de carbonato potásico con catalizador de arsenito y 3) reacción de buteno con ácido sulfúrico para producir butanol.

• Cuando existe un aumento de la velocidad superficial del gas da lugar a aumentos de la fracción de gas en la superficie de contacto, del área de la interfase y del coeficiente global de transferencia de materia.

• La relación de altura a diámetro no es importante si se mantiene dentro de un intervalo de entre 4 y 10; sin embargo, un aumento de viscosidad, junto con la disminución de la tensión superficial, provoca un aumento del área de la interfase.

• Las disoluciones de electrolitos presentan burbujas más pequeñas, películas gaseosas más elevadas y superficies interfaciales mayores.

• La conversión del gas cae hasta cero para velocidades superficiales elevadas, así que son aconsejables valores inferiores a 10cm/s.

• El flujo gas puede aproximarse a flujo pistón, excepto en el caso de columnas anchas, pero el flujo de líquido sufre considerables fenómenos de retromezcla, los cuales pueden atenuarse empleando rellenos o platos perforados.

• La acción de las burbujas proporciona una agitación equivalente a la de los agitadores mecánicos y también produce un efecto equivalente sobre los coeficientes de transmisión de calor.

III.II.- Componentes

Las columnas de burbujas son de estructura muy sencilla. Consiste generalmente en un recipiente cilíndrico con alturas superiores al doble del diámetro. Aparte del difusor para la inyección del aire comprimido, los reactores de columna de burbujas no presentan estructuras internas. Dichos componentes son:

-Difusor

-Suministro de aire

-Salida de gas

III.III.- Modo de operación

El modo de operación en un biorreactor de columna de burbujeo puede ser: continuo y el semi-continuo

• Continuo: el gas y la suspensión fluyen simultáneamente hacia la columna

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