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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO Y SU
INFLUENCIA EN EL ESCALADO DE BIO-REACTORES
Tesis de grado presentado en opción al título
INGENIERO QUÍMICO
MÉNDEZ CASSINELLI LUCERO
MÉRIDA, OCTUBRE, 2007
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO Y SU
INFLUENCIA EN EL ESCALADO DE BIO-REACTORES
Tesis de grado presentado en opción al título
INGENIERO QUÍMICO
Autor: Lucero Méndez Cassinelli
Co-tutor: Profesor. Ingeniero Rubén Gómez
Co-tutor: Profesor. Ingeniero Hans Valenzuela
MÉRIDA, OCTUBRE, 2007
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
INDICE GENERAL
i
Índice general………………………………………………………………………………..i
Agradecimientos....................................................................................................................vi
Dedicatoria............................................................................................................................vii
Resumen..................................................................................................................................1
Introducción............................................................................................................................2
CAPÍTULO I.......................................................................................................................I.-1
Planteamiento del problema....................................................................................I.-1
Hipótesis..................................................................................................................I.-2
Objetivos..................................................................................................................I.-3
Antecedentes...........................................................................................................I.-4
CAPÍTULO II Marco teórico............................................................................................II.-1
II.1 Microbiología.................................................................................................II.-1
II.1.1 Microbiología industrial..............................................................................II.-2
II.1.1.1 Áreas de aplicación de la microbiología industrial...................................II.-3
II.2 Fermentación..................................................................................................II.-6
II.2.1 Fermentación butanodiólica……..…………………………………............II.7
II.2.2 El producto. 2,3-butanodiol........................................................................II.-8
II.2.2.1 Importancia y aplicaciones industriales..................................................II.-10
II.2.3 El microorganismo utilizado para la fermentación butanodiólica.............II.-10
II.2.3.1 Algunas cepas utilizadas para la fermentación butanodiólica................II.-13
II.2.3.1.1 Klebsiella pneumoniae.........................................................................II.-15
II.2.3.1.2 Aerobacter aerogenes……………………………..............................II.-16
II.2.3.1.3 Bacillus polymyxa………....................................................................II.-13
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
INDICE GENERAL
ii
II.2.3.1.4 Klebsiella oxytoca................................................................................II.-16
II.2.3.2 Factores que afectan el crecimiento del microorganismo.......................II.-19
II.2.3.2.1 Concentración de oxígeno disuelto…..................................................II.-19
II.2.3.2.2 Temperatura de crecimiento……..…..................................................II.-20
II.2.3.2.3 pH del medio de cultivo…...…............................................................II.-22
II.2.3.2.4 Nutrientes para el crecimiento.............................................................II.-24
II.2.3.2.5 Agitación y mezclado..........................................................................II.-26
II.2.3.2.6 Asepsia.................................................................................................II.-27
II.2.4 El medio de cultivo…………………........................................................II.-27
II.2.4.1 Medios sintéticos....................................................................................II.-29
II.2.4.2 Suero de leche…………………………...…………..............................II.-30
II.2.4.3 Preparación del medio de cultivo...…………………………….............II.-35
II.2.5 Preparación del inóculo e inoculación.......................................................II.-36
II.2.6 El equipo. Bio-reactores. Componentes principales y características.......II.-37
II.2.6.1 Bio-reactores. Clasificación....................................................................II.-39
II.2.6.1.1 Bio-reactores según la manera en que los reactantes atraviesan
el equipo…………………….……...………………………………...II.-40
II.2.6.1.1.1 Bio-reactores de flujo continuo.......................................................II.-40
II.2.6.1.1.2 Bio-reactores de flujo discontinuo...................................................II.-42
II.2.6.1.1.3 Bio-reactores de flujo semi-continuo...............................................II.-44
II.2.6.1.2 Bio-reactores según la forma de agitación...........................................II.-45
II.2.6.1.2.1 Bio-reactores aireados agitados........................................................II.-45
II.2.6.1.2.2 Bio-reactores tubulares tipo air lift...................................................II.-46
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
INDICE GENERAL
iii
II.2.7 Variables importantes a ser controladas durante el proceso
de fermentación………..……………………………………………….II.-48
II.2.7.1 Concentración de oxígeno….…...……..................................................II.-49
II.2.7.2 Temperatura............................................................................................II.-50
II.2.7.3 pH...........................................................................................................II.-51
II.2.7.4 Agitación y mezclado.............................................................................II.-51
II.2.7.5 Asepsia....................................................................................................II.-52
II.2.8 Transferencia de masa en un biorreactor……………...……………........II.-53
II.2.8.1 Resistencias que se oponen a la transferencia de masa..........................II.-55
II.2.8.2 Transferencia de oxígeno en procesos fermentativos.............................II.-56
II.2.8.3 Factores que afectan el coeficiente de transferencia de oxígeno............II.-57
II.3 Escalado de biorreactores…….....................................................................II.-58
II.3.1 Escalado según la relación potencia/volumen…………….......................II.-63
II.3.2 Escalado según el coeficiente de transferencia de oxígeno constante.......II.-63
II.3.2.1.Escalado según el coeficiente de transferencia de oxígeno mediante
el método estático.....................................................................................II.-65
II.3.2.2 Escalado según el coeficiente de transferencia de oxígeno mediante
el método de Winkler...............................................................................II.-67
II.3.2.3 Escalado según el coeficiente de transferencia de oxígeno mediante
el método dinámico de Humphrey............................................................II.-70
CAPÍTULO III. Metodología experimental.....................................................................III.-1
III.1 Fase experimental..…..……………………………………………………III.-1
III.1.1 Montaje de la fermentación.......................................................................III.-1
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
INDICE GENERAL
iv
III.1.2 Determinación del contenido de lactosa a través del método
colorimétrico………….…………...………………………………….....III.-9
III.1.3 Determinación del contenido de glucosa a través del método
enzimático……………………………………………………………...III.-12
III.1.4 Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno mediante
el método estático…................................................................................III.-15
III.1.5 Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno mediante
el método de Winkler…………............................................................III.-17
III.1.6 Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno mediante
el método dinámico de Humphrey.........................................................III.-25
CAPÍTULO IV. Resultados y discusiones......................................................................IV.-1
CAPÍTULO V. Conclusiones...........................................................................................V.-1
CAPÍTULO VI. Recomendaciones.................................................................................VI.-1
VI.-1 Para el método de Winkler……...………………………………………..VI.-1
VI.-2 Para el método estático………………...…………………………………VI.-2
VI.-3 Para el método dinámico de Humphrey…...……………………………..VI.-3
Apéndice A. Muestra de cálculo.......................................................................................A.-1
A.1 Cálculo de la concentración de oxígeno disuelto a través del método
de Winkler..……………………………………………………………....A.-1
A.2 Cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno disuelto usando
la concentración de oxígeno disuelto determinado a través del método
de Winkler….……………………………………………………………A.-2
A.3 Cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno disuelto a través del
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
INDICE GENERAL
v
método estático.…………………………………………………………..A.-3
A.-4 Cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno disuelto a través
del método dinámico de Humphrey……………..……………………….A.-7
A.-5 Cálculo de la salinidad del suero…………..……………………………..A.-13
A.-6 Cálculo del contenido de lactosa en una muestra de suero...……………..A.-15
A.-7 Cálculo del contenido de glucosa en una muestra de suero……...……….A.-16
Apéndice B. Datos recopilados…………………………………………………………..B.-1
B.1 Datos recopilados para la realización del método de Winkler………..……..B.-1
B.2 Datos recopilados y gráficos realizados para la realización del
método estático…………………………………………………….……B.-11
B.3.- Datos recopilados y gráficos realizados para la realización del
método dinámico de Humphrey…………...……………………………B.-28
B.4.- Datos recopilados y gráficos realizados para la determinación de la
salinidad del suero.……………………………………………………...B.-45
B.5.- Datos recopilados y obtenidos para la determinación del contenido de
glucosa y lactosa en las muestras de suero………………………..……B.-47
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
AGRADECIMIENTOS
vi
A mi tutor, profesor y amigo Rubén Gómez, quien estuvo a mi lado
pacientemente, enseñándome, guiándome y quien logró obtener de mí más del 100%,
no solo porque cree que soy capaz de darlo sino porque, además, él lo da todos los días.
Al profesor Hans Valenzuela, gracias a usted aprendí que yo sola puedo salir de
cualquier situación.
A mi compañero de tesis y amigo, Manuel Colina, juntos aprendimos que un
buen grupo de trabajo obtiene mejores resultados. Gracias por soportarme.
A la familia Quijada Rosas quien siempre con todo su apoyo estuvieron a mi
lado, fortaleciédome en los momentos más difíciles. Teo, tu amor y comprensión me
acompañó y me enseñó a seguir adelante. Miguelón, tu sentido del humor me hizo salir
de la amargura más veces de las que sabes. Aram, tu amistad incondicional me respaldó
en todo momento.
A todos los técnicos e investigadores de los distintos laboratorios, en especial a
Julio Hernández, Manuel Unda, Yajaira Araque, Antonio Fernández y César Izaguirre;
sin ustedes a mi lado este trabajo nunca se hubiera realizado.
Un agradecimiento especial al laboratorio de membranas y en especial al
profesor Antonio Cárdenas por todo su apoyo con este proyecto y conmigo. Sin ustedes
no lo hubiera logrado.
A todos ustedes, GRACIAS.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores ____________________________________________________________________________________
DEDICATORIA
vii
Dedicado a DIOS quien en todo momento me dio fuerzas para seguir adelante
sin importar los contratiempos. GRACIAS por acordarte de mí en todo momento.
A mi PAPI Víctor, quien sigue estando a mi lado aún cuando está fuera de mi
alcance. Tus principios y creencias siguen estando conmigo.
A mi MAMA Gloria, quien no solo cree en mí, sino que además me incita a
seguir adelante sin importar mis tropiezos. Tu Amor y comprensión seguirán siendo mi
compromiso a lo largo de mi vida.
A mi HERMANA y mi CUÑADO Karin y Raymond, que siempre están aquí
conmigo y saben como ayudarme y escucharme en todo momento. Muchas gracias por
todo su apoyo y comprensión.
A mi HERMANITA Alba, que siempre sabe como ponerme los pies en la tierra
recordándome mis errores. Tú me acompañas hoy y yo lo haré mañana.
A mi HIJA Victoria, por quien logro todos mis propósitos y es mi fuerza de
todos los días. Estoy muy ORGULLOSA de ti.
A mi TIA Coqui y mi TIO Lucho quienes, aunque lejos, siempre están cerca de
mí. Gracias por poder contar en todo momento con Ustedes.
RESUMEN
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
_____________________________________________________________________ RESUMEN
1
Este proyecto realizó el estudio teórico de una fermentación butanodiólica
usando suero de leche como medio de cultivo y cepas de Klebsiella Oxytoca como
microorganismo. Una vez diseñada la columna de vidrio de dos entradas laterales que
funciona como biorreactor, se realizaron tres distintos métodos para la determinación
del coeficiente de transferencia de oxígeno en el sistema fermentativo particular: el
método de Winkler, el método estático y el método dinámico de Humphrey. Además,
se hizo un estudio de la influencia de la aireación y del volumen en el escalado de
biorreactores.
De acuerdo a los resultados obtenidos para el escalado del sistema de
fermentación, el método dinámico de Humphrey fue el más eficiente comparándolo con
los métodos estático y de Winkler, para la determinación del coeficiente de
transferencia de oxígeno ( aK L ) encontrada, debido a que toma en cuenta la demanda
de oxígeno del microorganismo además, de las resistencias que se oponen a la
transferencia del gas hacia el líquido. Así, se obtuvo que los valores más altos de aK L
son encontrados fueron de 61,27 1min � , 71,43 1min � y 73,15 1min � para 1 litro de
medio de cultivo y aireaciones baja, media y alta respectivamente.
También, se logró observar que al aumentar el volumen del medio de cultivo se
requiere aumentar el flujo de aireación para así mantener constante el coeficiente de
transferencia de oxígeno.
INTRODUCCIÓN
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
______________________________________________________________________ INTRODUCCION
2
Uno de los problemas más comunes en cualquier industria se encuentra al
escalar un proceso y, en los procesos fermentativos es mayor el efecto debido a que se
toman en cuenta parámetros fisicoquímicos y biológicos. Existen una variedad de
fermentaciones cuyo parámetro crítico es la transferencia de oxígeno al medio de
cultivo. Es este el parámetro que determina la capacidad de un biorreactor al momento
del escalamiento del proceso; es por esto que es uno de los criterios escogidos para el
escalado; sin embargo, calcular este coeficiente no es tarea fácil, este valor es
susceptible las variaciones de una serie de parámetros fisicoquímicos.
Es esta la razón por la cual se desarrolla el presente trabajo de investigación,
para estudiar los diversos métodos de determinación del coeficiente de transferencia de
oxígeno a través de métodos desarrollados como el de Winkler, el método estático y, el
método dinámico de Humphrey y la influencia de este coeficiente en el escalado de
fermentadores observando el comportamiento del proceso frente a cambios de aireación
y cambios de volumen de medio de cultivo.
Este proyecto de grado se encuentra estructurado en los siguientes capítulos:
El capítulo I contiene la definición del problema a estudiar, justificación, el
alcance y las limitaciones del proyecto.
El capítulo II desarrolla los fundamentos teóricos básicos que deben tomarse en
cuenta para llegar a explicar y defender los resultados obtenidos durante la parte
experimental del proyecto.
El capítulo III muestra la metodología experimental, materiales y métodos
utilizados para la fase preliminar y la fase experimental.
El capítulo IV detalla los resultados obtenidos y su respectiva discusión.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
______________________________________________________________________ INTRODUCCION
3
El capítulo V presenta las conclusiones finales del proyecto.
El capítulo VI contiene las recomendaciones finales.
CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
CAPITULO I
I.-1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El escalamiento de cualquier proceso es uno de los problemas de mayor
importancia no sólo en fermentaciones sino en la industria en general. Para la industria
de la microbiología, este problema es aún más delicado debido a que en los bioprocesos
se encuentran células vivas, ya sean éstas unicelulares o pluricelulares, por lo cual se
hace necesario el estudio de las variables fisicoquímicas y biológicas del proceso para
lograr mantener al microorganismo en condiciones de mayor producción en el menor
tiempo de cultivo.
Dependiendo del tipo de microorganismo empleado en la fermentación, se
deben controlan distintos parámetros de operación, y estas variables son las
determinantes para el buen funcionamiento del fermentador; tales variables son las
precursoras de los diferentes criterios para el escalado exitoso de un fermentador.
La microbiología participa en diversos sectores de la industria; sin embargo,
existen muchos otros a las cuales no ha sido expandida, ya sea por falta de tecnología o
por falta de conocimientos en el cambio de escala.
Por las razones antes expuestas, el siguiente proyecto tiene como finalidad el
estudio del coeficiente de transferencia de oxígeno en fermentaciones aerobias y la
influencia de éste en el escalado de biorreactores; dicho estudio se divide en dos etapas.
La primera etapa consiste en el estudio de los distintos métodos para el cálculo del
coeficiente global de transferencia de oxígeno, para un proceso de fermentación en
medio sumergido donde se toma como modelo la fermentación de la Klebsiella oxytoca
y la segunda etapa consiste en la determinación del coeficiente global de transferencia
de oxígeno de acuerdo a los métodos seleccionados.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
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CAPITULO I
I.-2
HIPÓTESIS
Se plantea que el coeficiente de transferencia de oxígeno influyendo en el
metabolismo de la Klebsiella oxytoca para la producción de 2,3-butanodiol, es un
parámetro importante en el escalamiento de los procesos fermentativos que involucren
tal microorganismo se asemejen a su comportamiento; por lo tanto, es importante su
uso como parámetro o criterio relevante en el escalado de dichos procesos biológicos.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
CAPITULO I
I.-3
OBJETIVOS
GENERALES:
Estudiar las técnicas para la determinación del coeficiente global de
transferencia de oxígeno, como elemento fundamental para el escalado de
biorreactores y el efecto del coeficiente de transferencia de oxígeno en el
escalado de biorreactores, que involucren un control estricto del caudal de
oxígeno.
ESPECÍFICOS:
Determinar el coeficiente global de transferencia de oxígeno para la
producción de 2,3-butanodiol en medio sumergido, usando cepas de
Klebsiella oxytoca y suero de leche como medio de cultivo, mediante los
métodos de Winkler, método estático y método dinámico de Humphrey
para volúmenes de 300 ml, 1 l y 2 l.
Seleccionar el mejor método para la determinación del coeficiente global
de transferencia de oxígeno que se ajuste a los requerimientos exigidos por
el proceso a estudiar.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
CAPITULO I
I.-4
ANTECEDENTES
La correlación entre la concentración de la penicilina producida y la potencia
consumida en agitación en fermentadores de diferentes volúmenes fue investigada por
Bartholomew [46] y Gaden [47] en 1950, y comunicaron que el escalamiento de la
producción de penicilina puede efectuarse con éxito con una relación potencia/volumen
de 1.5-3.0 HP/m3. La producción de estreptomicina también fue escalada por
Bartholomew [46] en 1960 utilizando la relación potencia-volumen de 2 HP/m3. Muchas
otras fermentaciones se desarrollaron haciendo uso del método de oxidación de una
solución con sulfito de sodio; sin embargo, Maxon y Steel [48] comunicaron que el
escalamiento de novobiocina no se podía efectuar con base en la tasa de oxidación de
sulfito, sino que podía usarse como criterio de escalamiento la tasa específica de
consumo de oxígeno de Streptomyces niveus, correlacionando la demanda de oxígeno
con la velocidad de la punta del impulsor, independientemente del diámetro utilizado.
También en 1960, Yoshida [49] y su grupo demostraron que la tasa de absorción
de oxígeno en solución de sulfito de sodio por unidad de volumen líquido, es más
rápida que en agua pura, especialmente con agitación forzada, que genera burbujas más
pequeñas y un área interfacial mayor. Por lo anteriormente expuesto se considera que el
método de oxidación no es adecuado para escalamiento de fermentación, especialmente
en cultivos de alta viscosidad o no Newtonianos.
Para 1966 Oldshue [50] utilizó el coeficiente de transferencia de oxígeno y un
análisis adimensional como criterios de escalamiento, y demostró que era posible
escalar con geometría no similar debido a que para altos valores de la relación potencia
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
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CAPITULO I
I.-5
por unidad de volumen, la relación diámetro del impulsor entre diámetro del tanque
puede variar de 0.2 a 0.5 y todavía se siguen obteniendo buenos resultados.
En 1969 Oldshue [51] escaló un tanque agitado bajo dos premisas: el primero
tenía similitud geométrica y el segundo no. El cambio en el tamaño del impulsor hizo
que el consumo de energía por unidad de volumen disminuyera, sin embargo, el
esfuerzo cortante aumentó. Este antecedente se hace importante para los procesos que
dependen del esfuerzo cortante.
Para 1972, Kinoshita y Yamada [52] extrapolaron la producción del ácido
glutámico tomando como base de escalamiento la geometría similar y el coeficiente de
transferencia de oxígeno similar. Ellos expusieron, luego de sus experiencias, que los
resultados obtenidos fueron muy satisfactorios debido a que la concentración del
producto en ambas escalas fue el mismo.
A lo largo de los años las técnicas de escalado fueron evolucionando, al igual
que los biorreactores; sin embargo, los métodos clásicos siguieron manteniéndose en
pie. Para el 2002, Wong, García y Rodríguez [38] escalaron la producción del antígeno
K88 utilizando Escherichia Coli como la cepa de producción y bajo el criterio de
coeficiente de transferencia de oxígeno constante aunado a la relación flujo volumétrico
de aire por unidad de volumen constante. Estudiando con valores probabilísticos
llegaron a la conclusión que este proceso puede ser descrito como una ecuación
polinomial de grado superior obteniendo hasta un 95% de confiabilidad.
También Znad [39] y sus compañeros realizaron en el 2004 un modelado y
escalado de un biorreactor del tipo air-lift para la producción de ácido glucónico basado
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
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CAPITULO I
I.-6
en modelos matemáticos anteriores y en un modelo particular que considera el efecto de
dos sustratos en la fermentación (glucosa y oxígeno disuelto).
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-1
MARCO TEÓRICO
II.1 Microbiología
La microbiología se puede definir como la ciencia que trata de los seres vivos muy
pequeños, concretamente de aquellos cuyo tamaño se encuentra por debajo del poder
resolutivo del ojo humano. Esta definición implica que el objeto material de la
microbiología viene delimitado por el tamaño de los seres que investiga, lo que supone que
abarca una enorme heterogeneidad de tipos estructurales, funcionales y taxonómicos: desde
partículas no celulares como los virus, viroides y priones, hasta organismos celulares tan
diferentes como las bacterias, protozoos y parte de las algas y de los hongos [1]. Durante
cierto tiempo la microbiología quedo relegada como una disciplina meramente descriptiva
y aplicada únicamente a la medicina. Sin embargo, una corriente, en principio minoritaria,
dedicada a los estudios básicos centrados con ciertas bacterias del suelo poseedoras de
capacidades metabólicas especiales, incluyendo el descubrimiento de las que afectan a la
nutrición de las plantas, logró hacer ver la ubicación ecológica y la extrema diversidad
fisiológica de los microorganismos.
Podemos definir a los microorganismos como seres de tamaño microscópico
dotados de individualidad, con una organización biológica sencilla, bien sea acelular o
celular y, en este último caso, pudiendo presentarse como unicelulares, cenocíticos,
coloniales o pluricelulares, pero sin diferenciación en tejidos u órganos, y que necesitan
para su estudio una metodología propia y adecuada a sus pequeñas dimensiones. Bajo esta
denominación se engloban tanto microorganismos celulares como las entidades
subcelulares [1].
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-2
Por otro lado, la microbiología también se ocupa de las distintas actividades
microbianas en relación con los intereses humanos, tanto las que pueden acarrear
consecuencias perjudiciales (y en este caso estudia los nichos ecológicos de los
correspondientes agentes, sus modos de transmisión, los diversos aspectos de la microbiota
patógena en sus interacciones con el hospedador, los mecanismos de defensa de éste, así
como los métodos desarrollados para combatirlos y controlarlos), como de las que traen
beneficios (ocupándose del estudio de los procesos microbianos que suponen la obtención
de materias primas o elaboradas y de su modificación y mejora racional con vistas a su
imbricación en los flujos productivos de las sociedades) [1].
Finalmente, la microbiología ha de ocuparse de todas las técnicas y metodologías
destinadas al estudio experimental, manejo y control de los microorganismos; es decir, de
todos los aspectos relacionados con el modo de trabajo de una ciencia empírica. [1]
II.1.1 Microbiología industrial
La microbiología industrial puede definirse como la parte de la microbiología que se
ocupa de las aplicaciones industriales de los microorganismos. Desde otro punto de vista,
puede decirse también que los procesos de la microbiología industrial constituyen aquellos
procesos industriales catalíticos basados en el uso de micro-organismos [2].
Luego de muchos años de evolución, la microbiología participa a nivel industrial,
junto a la biotecnología estudiando la explotación de los microbios para uso en procesos
industriales. Estos procesos utilizan microorganismos generalmente, cultivados a gran
escala para obtener productos de valor comercial. Antiguamente todos los procesos de este
tipo, se basaban en la mejora de reacciones metabólicas que los microorganismos ya eran
capaces de llevar a cabo, generalmente para obtener mayores rendimientos del producto
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-3
deseado; sin embargo, actualmente, con el uso de la ingeniería genética, la microbiología
industrial está encaminada a modificar los microorganismos a nivel molecular para no sólo
obtener rendimientos más altos, sino además, lograr que el microorganismo permanezca
inalterado ante variaciones bruscas de las condiciones del medio donde habita. Ejemplos
claros de procesos microbianos industriales son la fermentación industrial y el tratamiento
de aguas residuales.
El suceso que aportó el rápido desarrollo de la microbiología industrial fue la
producción de penicilina a partir del hongo Penicillium. Aunque, inicialmente fue un
proceso a pequeña escala, desarrollado por Howard Florey y sus colaboradores durante la II
Guerra Mundial, poco después se consiguió producir penicilina en grandes cantidades, al
tiempo que se utilizaban otros microorganismos para obtener una gran variedad de
antibióticos, como la estreptomicina[5].
II.1.1.1 Áreas de aplicación para la microbiología industrial
Las áreas de aplicación de la microbiología industrial son muy variadas y de ellas
surge la importancia y el impacto que tiene esta disciplina en la actualidad. [2]
Las áreas principales son: salud, alimentación, producción vegetal y animal,
insumos industriales, minería y servicios [2].
En primer lugar se debe destacar la importancia de la microbiología industrial en el
mantenimiento de la salud y tratamiento de enfermedades, fundamentalmente por su
aplicación en la producción de compuestos de actividad farmacológica y vacunas [2]. En la
figura II.-1 se muestran equipos utilizados en la industria farmacéutica.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-4
Figura II.-1 Equipos utilizados en la industria farmacéutica basados en microbiología industrial.
En la industria de alimentos es también significativa la aplicación de la
microbiología industrial en la producción de bebidas, enzimas, saborizantes, productos
lácteos, etc. [2]
La producción agropecuaria se ve también favorecida en sus aspectos de producción
vegetal y animal por un conjunto variado de procesos microbiológicos que se han
enriquecido notablemente en los últimos años (como ha sucedido con otras áreas) con la
utilización de técnicas de ingeniería genética [2].
El área de aplicación en minería está relacionada con la biolixiviación o sea con la
aplicación de microorganismos en la extracción de metales de minerales de baja ley [2].
Finalmente, el área de servicios se refiere fundamentalmente a la aplicación de
microorganismos en la purificación de efluentes, aspecto fundamental para el
mantenimiento de la calidad de vida [2].
En la tabla II-.1 se muestran algunos compuestos producidos por la microbiología
industrial.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-5
Tabla II.-1 Principales productos microbianos y procesos de interés en microbiología industrial y
biotecnología [9].
Sustancias Microorganismos
Productos industriales
Etanol (procedente de glucosa) Saccharomyces cerevesiae
Etanol (procedente de lactosa) Kluyveromyces fragilis
Acetona y butanol Clostridium acetobutylicum
2,3-butanodiol Enterobacter, Serratia
Enzimas Aspergillus, Bacillus, Mucor, Trichoderma
Productos agrícolas
Giberelinas Gibberella fujikuroi
Aditivos alimentarios
Aminoácidos (p. ej., lisina) Corynebacterium glutamicum
Ácidos orgánicos (ácido cítrico) Aspergillus niger
Nucleótidos Corynebacterium glutamicum
Vitaminas Ashbya, Eremothecium, Blakesles
Polisacáridos Xanthomonas
Productos médicos
Antibióticos Penicillium, Streptomyces, Bacillus
Alcaloides Claviceps purpurea
Transformaciones de esteroides Rhizopus, Arthrobacter
Insulina, hormona del crecimiento humano, somatostina, interferones Escherichia coli, Saccharomyces cerevesiae
Bio-combustibles
Hidrógeno Micro-organismos fotosintéticos
Metano Methanobacterium
Etanol Zymomonas, Thermoanaerobacter
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-6
II.2. Fermentación
La fermentación es el proceso microbiano más estudiado y con mayor número de
aplicaciones a nivel industrial no sólo de alimentos, sino también en la farmacéutica.
La fermentación es un proceso generador de energía en el cual las moléculas
orgánicas actúan como dadores y como aceptores de electrones [9].
La primera explicación bioquímica del proceso por el cual el azúcar en solución
acuosa es descompuesto en alcohol y gas carbónico, en virtud de la acción de células vivas
de levadura, la dio el químico Francés Louis Pasteur, el cual vio que, mientras
descomponen el azúcar en ausencia de aire, las células de levadura viven y se propagan en
el líquido en fermentación y llamó al proceso de fermentación alcohólica “vida sin
oxígeno”. Pasteur explicó que, por la descomposición de la molécula de azúcar en ausencia
de aire, se pone a disposición de las células de levadura, de la misma manera que se
produce energía en los tejidos de los animales y las plantas que respiran para satisfacer sus
necesidades metabólicas cuando son oxidados los compuestos orgánicos en presencia de
aire.[8]
Extendiendo la interpretación bioquímica de la fermentación alcohólica hecha por
Pasteur a otros procesos, la palabra fermentación indica hoy la desasimilación anaeróbica
de compuestos orgánicos por la acción de los microorganismos u otras células o de
extractos celulares. Sin embargo, en muchos artículos técnicos y, en mayor grado aún en el
uso corriente en laboratorios y fábricas, el término fermentación denota la acción
microbiana regulada por el hombre. En el sentido más amplio, la palabra fermentación no
sólo designa los procesos de desasimilación anaeróbica como la formación de alcohol,
butanol-acetona, ácido láctico, etc., sino también la producción industrial de vinagre, ácido
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-7
cítrico, enzimas, penicilina y otros antibióticos, riboflavina y otras vitaminas; todos estos
productos son el resultado de procesos microbianos y se llaman productos de fermentación.
[8]
Para el desarrollo de este proyecto de investigación, se tomó una fermentación en
particular, la producción de 2,3-butanodiol a partir de suero de leche como medio de cultivo
y cepas de klebsiella oxytoca como microorganismo. En base a este punto de referencia se
desglosa la información siguiente.
II.2.1 Fermentación butanodiólica
Para el desarrollo de procesos microbianos en la formación de productos es
necesario optimizar tres elementos: el rendimiento del producto por gramo de sustrato, la
concentración del producto y la velocidad de formación del mismo. Los pasos principales
para el desarrollo de un proceso de fermentación son:
1. Selección de una cepa microbiana.
2. Determinación de los valores óptimos de temperatura, pH, concentración de
oxígeno, etc.
3. Determinación de los requisitos óptimos nutricionales y la concentración
celular.
4. Modificación de la estructura genética del micro-organismo para aumentar
la formación del producto.
Los cuatro aspectos se refieren básicamente a la regulación metabólica del
microorganismo. Normalmente el metabolismo está ajustado para producir solamente el
mínimo necesario de metabolitos. El éxito de una fermentación consiste en intervenir en la
regulación metabólica y provocar una sobreproducción del compuesto deseado. [15]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-8
En la fermentación butanodiólica los productos principales son: butanodiol, etanol y
dióxido de carbono. Enterobacter, Serratia, Erwinia, algunos Bacillus y Klebsiella son
microorganismos fermentadores butanodiólicos. [9]
En esta fermentación, el piruvato es convertido en acetoína, que a continuación se
reduce a 2,3-butanodiol con NADH. También se produce una gran cantidad de etanol, junto
con pequeñas cantidades de los ácidos presentes en la fermentación ácido-mixta. [9]
Los microorganismos fermentadores butanodiólicos pueden diferenciarse de los
fermentadores ácido mixtos de tres formas.
1.- La prueba de Voges-Proskauer detecta la acetoína, precursor del butanodiol y es
positiva con los fermentadores butanodiólicos pero no con los fermentadores ácido-mixtos.
2.- Los fermentadores ácido mixtos producen una cantidad de productos acídicos
cuatro veces mayor que los neutros, mientras que los fermentadores butanodiólicos forman
principalmente productos neutros. Por lo tanto, los fermentadores ácido-mixtos acidifican
los medios de incubación en una medida mucho mayor. Esta es la base de la prueba del rojo
de metilo. La prueba es positiva sólo para la fermentación ácido mixta debido a que el pH
desciende por debajo de 4.4 y el color del indicador pasa de amarillo a rojo.
3.- El dióxido de carbono y el hidrógeno molecular se forman en cantidades
similares por la actividad de la fórmico hidrogenoliasa durante la fermentación ácido mixta.
Los fermentadores butanodiólicos producen un exceso de dióxido de carbono, y la relación
CO2/H2 es 5:1 o mayor. [9]
II.2.2 El producto. 2,3- butanodiol
El 2,3-butanodiol es un compuesto químico muy importante en la industria
alimentaria y en combustibles líquidos y puede ser producido por la bioconversión de
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-9
recursos naturales. El 2,3-butanodiol es también conocido como 2,3-butilenglicol, 2,3-
dihidroxibutano o dimetiletilenglicol y es un compuesto quiral. Su fórmula química es
CH3CH(OH)CH(OH)CH3 con un peso molecular de 90.12 kDa. El 2,3-butanodiol tiene un
alto punto de ebullición entre 180-184 ºC y un bajo punto de congelamiento de -60 ºC. Se
presenta como un líquido incoloro e inodoro o en su forma cristalina. El poder calorífico
del 2,3-butanodiol es 27.198 J/g el cual es similar al de otros combustibles líquidos como el
etanol y el metanol. [16]
El 2,3-butanodiol es producido por vía ácido mixta. Los otros productos finales
incluyen etanol, acetato, lactato, formato y succinato. La acetoína (también conocida como
acetilmetilcarbinol) puede ser formada. [16]
El 2,3-butanodiol tiene tres esteroisómeros, las formas dextro-, levo-, y meso-.
Usualmente, una mezcla de dos tipos de 2,3-butanodiol es formado a partir de diferentes
microorganismos. De la fermentación del Bacillus polymyxa se produce la forma
ópticamente activa del 2,3-butanodiol (las formas dextro-(-)-2,3-butanodiol y levo-2,3-
butanodiol) en mayor proporción. [16]
Figura II.-2 Estereoisómeros del 2,3-butanodiol. (a) D-(-)-2,3- butanodiol (forma Levorrotatoria). (b) L-
(+)-2,3-butanodiol (forma Dextrorrotatoria). (c) Meso-2,3-butanodiol (forma ópticamente inactiva). [16]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-10
II.2.2.1 Importancia y aplicaciones industriales
Debido a la necesidad de caucho sintético durante la Segunda Guerra Mundial, la
producción del 2,3-butanodiol tomó auge en ese momento. Adicionalmente, muchos otros
derivados del 2,3-butanodiol tienen potencial uso como agentes anticongelantes, solventes
y plásticos. Además, puede ser agregado como agente saborizante en alimentos cuando es
convertido a diacetil por deshidrogenación. El compuesto metiletilcetona con un calor de
combustión más alto que el etanol, puede ser obtenido por deshidratación del 2,3-
butanodiol y es considerado como un efectivo aditivo líquido para combustible.[16]
La esterificación del butanodiol forma los precursores del poliuretano para usarlo en
medicamentos, productos cosméticos, lociones, etc.[16]
II.2.2.1 El microorganismo utilizado para la fermentación butanodiólica
Microorganismo es el nombre genérico que designa a los seres organizados, solo
visibles al microscopio, como bacterias, infusiorios, hongos, levaduras, etc. [10]
Bacterias son organismos de una sola célula. Su forma puede ser esférica, espiral,
etc. Pueden existir como organismos individuales, formando cadenas, grupos o pares. Las
bacterias son las formas de vida más abundantes en la tierra. Tienen una longitud entre 0,4
y 14 �m y sobre 0,2 a 12 �m de ancho. Consecuentemente, solo se pueden ver mediante
microscopio. Las bacterias se reproducen mediante la replicación del ADN y división en
dos células independientes. En circunstancias normales este proceso dura entre 15 y 30
minutos. [6]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-11
Algunas bacterias pueden formar esporas. Estas esporas se caracterizan por
presentar una capa protectora resistente al calor y que protege la bacteria de la falta de
humedad y comida. [6]
Las bacterias tienen un papel funcional ecológico específico. Por ejemplo, algunas
se encargan de la degradación de la materia orgánica, otras bacterias forman parte del
metabolismo del hombre. [6]
El microorganismo que se seleccione para una fermentación en particular, no sólo
debe efectuar la reacción deseada, sino que puede efectuar el cambio bioquímico necesario
en poco tiempo y que produzca el rendimiento máximo posible con un mínimo de atención.
El organismo apropiado debe también mantener su actividad de una generación a otra y
combatir infecciones. Aunque muchas cepas de una especie no satisfacen todos los
requisitos en un proceso especial, suele ser posible encontrar, aclimatar, mutar o criar cepas
específicas con cualidades adecuadas. [8]
Crecimiento es el incremento ordenado de todos los componentes de un organismo.
La multiplicación celular es una consecuencia del crecimiento. En organismos unicelulares
la multiplicación conduce a un aumento en el número de individuos dando lugar a una
población o a un cultivo.[18]
El crecimiento microbiano puede medirse en términos de concentración celular
(número de células por unidad de volumen de cultivo) o densidad celular (peso seco de las
células por unidad de volumen de cultivo). Estos dos parámetros no siempre son
equivalentes, debido a que el promedio de peso seco de la célula varía en las distintas
etapas de la historia del cultivo. [18]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-12
La masa celular puede ser medida por la determinación del peso seco del cultivo o
por determinación de la turbidez. En los casos en que el gran número de células son viables,
el peso y la turbidez están relacionados directamente con el número de células. [18]
Los cultivos bacterianos dispersan o absorben luz y, estos fenómenos son
aproximadamente proporcionales a la masa celular. La densidad óptica de un cultivo en
crecimiento puede ser seguido en un espectrofotómetro a la longitud de onda en el que el
cociente de absorbancia es bajo (550-560 nm). La relación exacta de densidad óptica (a una
particular longitud de onda) y número de células, varía con la cepa y las condiciones, pues
la relación masa/número de células varía con el medio de cultivo y el tamaño celular. [18]
Un microorganismo de uso industrial debe producir la sustancia de interés; debe
estar disponible en cultivo puro; debe ser genéticamente estable y debe crecer en cultivos a
gran escala. Otra característica importante es que el microorganismo industrial crezca
rápidamente y elabore el producto deseado en un período de tiempo corto. El
microorganismo debe también crecer en un medio de cultivo relativamente barato, así como
disponible en grandes cantidades. Además, un microorganismo industrial no debe ser
patógeno para el hombre o para los animales o plantas. [5, 13]
Otro requisito importante, es la facilidad de separar las células microbianas del
medio de cultivo; la centrifugación es dificultosa o cara a gran escala. Los microorganismos
industriales más favorables para esto son aquellos de mayor tamaño celular (hongos
filamentosos, levaduras y bacterias filamentosas), ya que estas células sedimentan más
fácilmente que las bacterias unicelulares e incluso son más fáciles de filtrar. [5, 13]
Los microorganismos que sintetizan productos útiles para el hombre representan,
como máximo, unos pocos centenares de especies de entre las más de 100.000 encontradas
en la naturaleza. Los pocos que se han encontrado con utilidad industrial son apreciados por
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-13
elaborar alguna sustancia que no se puede obtener de manera fácil o de bajo costo por otros
métodos. [5]
Actualmente, existen muchos otros productos químicos que se obtienen por
fermentación (un término técnicamente restringido a los procesos que ocurren en ausencia
de aire, como la producción de alcohol por levaduras, aunque este término a menudo se
utiliza de forma más amplia). Estos productos incluyen el ácido oxálico utilizado en tintes y
colorantes, el ácido propenóico (ácido acrílico) utilizado como intermediario en la
producción de plásticos, o el ácido láctico empleado para acidificar alimentos y como
anticongelante.[5]
Los microorganismos se han usado, así mismo, en la obtención de diferentes
enzimas utilizadas para aplicaciones tan diversas, como la eliminación de manchas en los
tejidos (gracias a la incorporación de enzimas en los detergentes que atacan proteínas y
ácidos grasos), o la conversión de harina de maíz en sirope (utilizado para endulzar
refrescos, galletas y pasteles) . [5]
Las bacterias con fermentación butanodiólica se encuentran genéticamente más
próximas entre sí con las bacterias que llevan a cabo la fermentación ácido-mixta. Una
especie de Klebsiella, K. pneumoniae, puede causar neumonía en los humanos, pero las
Klebsiellas se encuentran corrientemente en el suelo y agua y producen butanodiol. El
género de la Serratia también produce butanodiol. [13]
II.2.3.1 Algunas cepas utilizadas para la fermentación butanodiólica
Un gran número de especies pueden segregar 2,3-butanodiol como producto final. [16]
El Aerobacter Aerogenes y el Bacillus Polymyxa fermentan la glucosa y la
convierten en 2,3-butanodiol, alcohol etílico, dióxido de carbono e hidrógeno en
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-14
condiciones aeróbicas y anaeróbicas. En realidad, la fermentación por el Aerobacter
Aerogenes se acelera muchísimo por una intensa aireación. [8]
Las células bacterianas son prácticamente transparentes, por ello no es
recomendable su estudio mediante la observación de suspensiones de células en agua o
tampones. El empleo de colorantes biológicos permite aumentar el contraste entre la célula
y el medio ambiente y, a través del empleo de técnicas especiales, es posible distinguir
algunos de los constituyentes celulares más importantes. Existe un tipo de tinción conocida
como tinción de Gram. Las bacterias tratadas con esta tinción se clasifican en: bacterias
Gram-positivas y Gram-negativas. [18]
Características de las bacterias Gram-negativas: las células presentan una doble
línea denominada membrana externa, luego se observa una línea más densa a los electrones
y que corresponde al péptidoglican, estructura que conforma la pared celular de la bacteria
Gram-positivas y que también es responsable de la rigidez y resistencia de la célula Gram-
negativa. [18]
Luego se encuentra el espacio peri-plasmático y la membrana citoplasmática que
posee similar característica a la de la bacteria Gram-positiva. En el interior se encuentran el
citoplasma y nucleoide, que aparecen menos compactos que los de las bacterias Gram-
positivas, pero que son estructuralmente semejantes. [18]
En las bacterias Gram-negativas existe la envoltura externa que no posee la bacteria
Gram-positiva y cuya estructura es semejante a la membrana citoplasmática. La membrana
externa se presenta como un triple perfil en el que las líneas densas a los electrones
corresponden a las proteínas que fijan los compuestos de metales pesados (para la
microscopía electrónica). El perfil transparente a los electrones tiene una composición
química compleja, al exterior de la bacteria se encuentran polímeros de heterosacáridos o
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-15
azúcares que están unidos a un complejo de glúcidos fosfolípidos que se han denominado
lipopolisacáridos. [18]
II.2.3.1.1 Klebsiella pneumoniae
Klebsiella pneumoniae es una bacteria aerobia, gran-negativa y quimio-organotrofa.
Esta bacteria se localiza en el suelo, agua, tracto digestivo de los humanos y otros animales,
respiratorio, etc; es la especie de mayor relevancia clínica dentro del género bacteriano
Klebsiella, compuesto por bacterias gram-negativas de la familia Enterobacteriaceae, que
desempeñan un importante papel como causa de las enfermedades infecciosas oportunistas.
El género fue llamado así en honor a Edwin Klebs, un microbiólogo alemán de finales del
siglo XIX.[6]
El bacilo ahora conocido como Klebsiella pneumoniae también fue descrito por
Karl Friedländer, y durante muchos años se conoció como el «bacilo de Friedländer».
En la tinción de Gram son negativos; la asimilación y la fermentación de la lactosa se puede
observar en el medio Kligler, donde son positivos y desprenden gas; y en la fermentación
acetónica o prueba de Voges Proskauer son positivos. Por último, sus condiciones óptimas
de cultivo son en agar nutritivo a 26ºC.[6]
La Klebsiella pneumoniae, dentro de este género bacteriano, está implicada
principalmente en infecciones nosocomiales. Es el agente causal de infecciones del tracto
urinario, neumonías, sepsis, infecciones de tejidos blandos, e infecciones de herida
quirúrgica. Son especialmente susceptibles los pacientes ingresados en unidades de
cuidados intensivos, neonatos, y pacientes con EPOC, diabetes mellitus o alcohólicos.[6]
Causa alrededor del 1% de las neumonías bacterianas y puede causar condensación
hemorrágica extensa del pulmón. Además, en ocasiones provoca infección del aparato
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-16
urinario y bacteriemia a partir de lesiones focales en pacientes debilitados que puede
terminar con la vida del paciente. Algunas de las complicaciones más frecuentes son el
absceso pulmonar y el eficema.[6]
II.2.3.1.2 Aerobacter Aerogenes
El Aerobacter Aerogenes es un bacilo gram-negativo, por lo general no movible,
que no forma esporas, de 0.5-0.8 x 1.0-2.0 micras, se presenta aislado o en parejas y es un
habitante del suelo, las plantas, los granos y el conducto intestinal del hombre y los
animales. Puede utilizar el ácido cítrico como fuente exclusiva de carbono y la urea como
fuente exclusiva de nitrógeno. Crece y fermenta mejor a 30ºC. Cuando fermenta
carbohidratos, la proporción de gases formados es una parte de hidrógeno por dos o más
partes de dióxido de carbono. [8]
II.2.3.1.3 Bacillus Polymyxa
Migula que se mueve con gran rapidez, forma esporas y tiene tamaño 0.6-1.0
x 2.5-6.0 micras; los bacilos se presentan aislados o formando cadenas cortas. Las esporas
de este organismo variable al Gram que produce lodos, son ovalados y miden 1.0-1.5 x 1.5-
2.5 micras. [8]
II.2.3.1.4 Klebsiella Oxytoca
La klebsiella pertenece a la familia de las enterobacteriales, las cuales contienen
bacilos germinativos anaeróbicos facultativos, rectos, inmóviles, con necesidades
nutricionales sencillas. Las propiedades metabólicas de Enterobacteriales son muy útiles
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-17
para caracterizar sus géneros constituyentes. Los miembros de esa familia, a menudo se
denominados enterobacterias o bacterias entericas (del griego enterikos, perteneciente al
intestino), degradan azucares mediante la ruta de Embdem-Meyerhof. Esta familia puede
dividirse en dos grupos, en función de sus productos de fermentación. La mayoría (p.ej.,
los géneros Eschericha, Proteus, Salmonela y Shigella) llevan a cabo una fermentación
acido mixta y producen principalmente lactato, acetato, succínico, formato y etanol. En la
fermentación butanodiólica los productos principales son butanodiol, etanol, y dióxido de
carbono. Enterobacter, Serratia, Erwia y Klebsiella son fermentadores butanodiólicos. [9].
Figura II.-3: Klebsiella oxytoca en medio Agar MacConkey en una placa de Petri.[6]
La clasificación taxonómica de la Klebsiella oxytoca se especifica a continuación:
(NCBI)
División: cellular organismos
Subdivisión: Bacteria
Clase: Proteobacteria
Orden: Gammaproteobacteria
Familia: Enterobacteriales
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-18
Subfamilia: Enterobacteriaceae
Género: Klebsiella
Especie: Klebsiella oxytoca
Tabla II.-2: Características taxonómicas de la Klebsiella oxytoca. [14]
Características Klebsiella
Rojo de metilo (+)a
Voges- Proskauer (+)
Producción de indol D
Utilización de citrato (+)
Producción de H2S -
Ureasa (+)
�-Galactosidasa (+)
Gas a partir de lactosa (+)
Acido a partir de lactosa (+)
Fenilalanina desaminasa -
Lisina descarboxilasa (+)
Ornitina descarboxilasa -
Motilidad -
Licuefacción de gelatina (22ºC) -
% G+C 53-58
Otras características 0.3-1.0 x 0.6-6.0 �m; encapsulada
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-19
II.2.3.2 Factores que afectan el crecimiento del microorganismo
Para su crecimiento, los microorganismos utilizados en los procesos tecnológicos,
requieren estrictas condiciones del medio ambiente, tales como concentración de oxígeno
disuelto, temperatura, pH, nutrientes, asepsia y agitación. El efecto de cada uno de ellos en
el crecimiento bacteriano se desglosa a continuación. [3]
II2.3.2.1 Concentración de oxígeno disuelto
Se distinguen dos tipos de microorganismos en función de su requerimiento en
oxígeno: los microorganismos aerobios, para los cuales la disponibilidad del oxígeno es
indispensable; y los microorganismos anaerobios, para los cuales el oxígeno es tóxico.
Existen, por último, algunos microorganismos capaces de adaptar su metabolismo a las
condiciones de oxigenación imperantes en el medio y que son por lo tanto aerobios
facultativos (éste es el caso de la bacteria Escherichia coli y de la levadura Saccharomyces
cerevisae, entre otros). [3]
La fermentación aerobia es hasta hoy la más utilizada, ya que el crecimiento es
mucho más rápido en aerobiosis que en anaerobiosis. Sin embargo, los microorganismos
anaerobios son capaces de sintetizar una serie de compuestos únicos (metano, etanol,
solventes, etc), lo que ha provocado un nuevo interés en su cultivo y estudio, en particular
para la industria química. Por otra parte es necesario mencionar dos limitantes que
presentan las fermentaciones aerobias:
a. Muy baja solubilidad del oxígeno en el agua, lo que hace necesario airear y
agitar fuertemente el medio de cultivo.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-20
b. Producción elevada de calor que debe ser constantemente removida a fin de
mantener estable la temperatura.[3]
II.2.3.2.2 Temperatura de crecimiento
Las temperaturas entre las cuales se puede desarrollar una célula microbiana varían
entre 10 y 60ºC. Según el rango de temperatura en el cual el crecimiento es posible
podemos distinguir microorganismos psicrófilos (4-25ºC), mesófilos (30-40ºC) y termófilos
(40-65ºC y más). [3]
Cada microorganismo tiene una temperatura de crecimiento óptima y particular. Si
consideramos la variación de la velocidad de crecimiento en función de la temperatura de
cultivo, existe una temperatura mínima por debajo de la cual no hay crecimiento a
temperaturas mayores se produce un incremento lineal de la velocidad de crecimiento con
la temperatura de cultivo hasta que se alcanza la temperatura óptima a la que es máxima.
Por encima de esta temperatura óptima, la velocidad de crecimiento decae bruscamente y se
produce la muerte celular. [7]
El incremento del crecimiento celular con la temperatura se debe al incremento
generalizado de la velocidad de las reacciones enzimáticas con la temperatura. Se denomina
coeficiente de temperatura a la relación entre el incremento de la velocidad de reacción y el
de temperatura. En términos generales, la velocidad de las reacciones bioquímicas suele
aumentar entre 1.5 y 2.5 veces al aumentar 10ºC la temperatura a la que tienen lugar. La
ausencia de crecimiento a temperaturas muy bajas se debe a la reducción de la velocidad de
crecimiento y al cambio de estado de los lípidos de la membrana celular que pasan de ser
fluidos a cristalinos, impidiendo el funcionamiento de la membrana celular. La muerte
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-21
celular a altas temperaturas se debe a la desnaturalización de proteínas y a las alteraciones
producidas en las membranas lipídicas a esas temperaturas. [7]
Es importante tener en cuenta que, a temperaturas muy bajas el metabolismo celular
es muy bajo y las células paran de crecer; aunque no tienen porqué comenzar a morir. Sin
embargo, cuando la temperatura es superior a la óptima, se produce la muerte celular
rápidamente y de manera irreversible. Esta característica permite esterilizar los equipos a
utilizar a través de calor y no de frío. [7]
Hay varios tipos de microorganismos en función de sus temperaturas de
crecimiento, los cuales se clasifican como se muestran en la tabla II.-3.
Tabla II.-3: Clasificación de los microorganismos de acuerdo a su temperatura óptima de crecimiento. [7]
Tipo de micro-organismo Temperatura
mínima (ºC)
Temperatura
óptima (ºC)
Temperatura
máxima (ºC)
Psicrófilo -5 +5 12 – 15 15 - 20
Psicrótrofo -5 +5 25 – 30 30 - 35
Mesófilo 5 – 15 30 – 45 35 - 47
Termófilo 40 – 45 55 – 75 60 - 90
Además de los indicados, existen organismos termo-resistentes que pueden crecer a
temperaturas cercanas o incluso superiores a 100ºC en condiciones de alta presión. Son
microorganismos muy importantes desde el punto de vista ambiental; pero no tienen
aplicaciones conocidas en agronomía o en microbiología industrial. [7]
Los microorganismos psicrótrofos pueden ser mesófilos que pueden crecer a
temperaturas bajas. Esto es importante desde el punto de vista aplicado porque cuando se
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-22
encuentran contaminando alimentos, son capaces de crecer en condiciones de refrigeración
(4-8ºC) y de producir infecciones en los consumidores del alimento (30-35ºC). [7]
Los microorganismos deben ser cultivados a la temperatura adecuada para que su
crecimiento sea el deseado. En cualquier caso, hay que tener en cuenta los problemas
derivados de las altas temperaturas y tener control en los fermentadores para evitar dañar
los cultivos. Estas temperaturas, por otro lado, tienen interés aplicado en el campo de la
termodestrucción de microorganismos y en algunos procesos de fermentación en los que el
incremento de temperatura que se produce es capaz de eliminar los microorganismos
mesófilos patógenos presentes. [7]
II.2.3.2.3 pH del medio de cultivo
El pH de crecimiento de los microorganismos varía entre 3.0 y 8.0. En forma
general, las bacterias crecen a pH cercanos a la neutralidad (�pH 7.0), con la importante
excepción de las bacterias lácticas que resisten pH ácidos. Por el contrario, la mayoría de
los hongos filamentosos y levaduras prefieren pH ácidos, de alrededor de 5.0. Esta ácido-
tolerancia otorga una ventaja importante a las fermentaciones con hongos, ya que el riesgo
de contaminación bacteriana es bajo. [3]
La mayoría de las bacterias pueden crecer dentro de un margen de pH de su medio,
manteniendo al mismo tiempo su pH interno óptimo prácticamente constante (tabla II.-4).
[7]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-23
Tabla II.-4: Clasificación de los microorganismos respecto del margen normal de pH a los que crecen. [7]
Tipo de microorganismo Rango de pH óptimo
Neutrófilos 5.5 – 8
Acidófilos 0 – 5
Alcalófilos 8.5 – 11.5
Durante la fermentación, hay producción o consumo de ácido en el medio según el
microorganismo, lo cual produce una variación del pH. Este último es detectado gracias a
un electrodo inmerso en el medio. Este electrodo acciona dos bombas (una con ácido y otra
con álcali) que equilibran constantemente este parámetro. [3]
La mayor parte de las bacterias son neutrófilas. Muchas bacterias neutrófilas
modifican el pH del medio, y resisten entornos relativamente ácidos o alcalinos. Por
ejemplo, algunas bacterias fermentativas excretan ácidos, mientras otras alcalinizan el
medio, p. ej., produciendo amonio a partir de desaminación de aminoácidos. [7]
Aunque los microorganismos pueden crecer en un margen más o menos amplio de
pH (alrededor del óptimo), los cambios bruscos pueden ser nocivos (afectando a la
membrana y al transporte de solutos, e inhibiendo enzimas). Si el pH citoplásmico
disminuye rápidamente hasta 5 o menos, la bacteria puede morir. [7]
Uno de los mecanismos que, al menos en neutrófilos parece controlar el pH interior
es un sistema especial: a pH ácidos, el interior celular puede quedar en principio más
alcalino que el exterior. Este sistema introduce protones en el interior y saca iones potasio.
De esta manera neutralizan, el pH interior y siguen teniendo un potencial de membrana
para establecer una fuerza protón motriz que les suministre energía. [7]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-24
Si el pH interior disminuye en torno a 6 o 5.5, bacterias como E. coli o S.
typhimurium inducen una respuesta de tolerancia a ácidos, consistente en ATPasas
translocadoras de protones (expulsan protones al exterior) y chaperonas (proteínas
celadoras) para evitar las proteínas desnaturalizadas. [7]
Existen algunos notables procariotas cuyo pH óptimo es muy bajo (acidófilos
extremos u obligados). Algunas eubacterias del género Thiobacillus (T. thiooxidans, T.
ferrooxidans) y las arqueas del género Sulfolobus tienen su óptimo a pH 2, generando ellas
mismas estos bajos pH al oxidar sulfuros hasta ácido sulfúrico. (Sulfolobus es un notable
ejemplo de procariota extremófilo: su hábitat son fuentes termales ácidas y sulfatadas, en
otras palabras, es un organismo termoacidófilo). De hecho, estas bacterias necesitan esas
altas concentraciones de H+ para mantener la integridad de sus membranas y envueltas: a
pH neutro esas envueltas se desintegran. [7]
Las especies alcalófilas obligadas tienen óptimos de pH en torno a 10-11. Por
ejemplo, Bacillus alcalophilus, cuyo pH interno es de 9. Sus hábitats típicos son suelos
carbonatados y lagunas alcalinas (algunos son también halófilos, como Natronobacterim
gregoryi). [7]
II.2.3.2.4 Nutrientes para el crecimiento
En primer lugar, los microorganismos requerirán de una fuente de carbono de la
cual extraer la energía necesaria para su metabolismo. Las fuentes de carbono más comunes
son los hidratos de carbono, tales como almidón y azúcares. [3]
Durante los años sesenta, algunos hidrocarburos derivados del petróleo fueron
intensamente estudiados como fuentes de carbono de bajo costo. Esta situación cambió
radicalmente en la década del 70, debido al alza del precio del petróleo y hoy en día, por el
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-25
contrario, se investiga la conversión biológica de hidratos de carbono en combustibles. En
la búsqueda de nuevas fuentes de carbonos, se está estudiando, desde hace poco, la
utilización de recursos ligno-celulósicos (pajas de cereales, árboles y sus residuos, etc.),
principal fuente de biomasa renovable. [3]
Muchas de estas fuentes de carbono requieren un tratamiento previo a su utilización;
es el caso, por ejemplo, del almidón que debe ser cocido e hidrolizado hasta glucosa antes
de ser trasformado en etanol por los microorganismos que realizan esta transformación. Es
también el caso de la celulosa y de los substratos ligno-celulósicos en general, los cuales
necesitan drásticos tratamientos físicos y/o químicos antes de ser utilizables con este fin. [3]
Otros elementos que son necesarios como nutrientes en cantidades importantes para
el crecimiento microbiano son el nitrógeno, el fósforo y el azufre. Estos son incorporados
en las moléculas estructurales y funcionales de la célula. El nitrógeno, en particular, debe
ser provisto en proporciones variables bajo la forma de nitrógeno proteico, obtenido a partir
de subproductos de la industria del maíz, extracto de levadura u otros; y no proteico (sales
de amonio, urea, etc.). Los otros dos elementos son aportados como sales de fosfato y
sulfato, respectivamente.
Por último, una serie de micro nutrientes (vitaminas, hierro, cobalto, cobre, zinc,
etc.), deben ser suministrados al medio.
La determinación de varios de estos nutrientes en forma continua durante la
fermentación permitirá en un futuro, espectaculares avances en el control de los procesos.
Esto ha sido posible gracias al reciente desarrollo de sensores o electrodos biológicos
(enzimáticos y microbianos). Esta tecnología, novedosa y específica tiene grandes ventajas
en materia de análisis, tales como respuesta rápida, aplicación en muestras coloreadas, uso
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-26
repetido de los biocatalizadores, etc. El principal problema para su puesta en operación es
la dificultad de esterilizar el biosensor sin inactivarlo. [3]
II.2.3.2.5 Agitación y mezclado
Los dispositivos de aireación en fermentadores suministran a los microorganismos
el oxígeno necesario para su crecimiento. Estos dispositivos implican la agitación del
medio para asegurar la uniformidad de la suspensión microbiana, con objeto de acelerar la
velocidad de intercambio entre los gérmenes y el medio nutritivo y propiciar un contacto
adecuado gas-líquido. [11]
En los procesos aerobios, los fermentadores van equipados con sistemas de
aireación, con objeto de suministrar a los microorganismos el oxígeno necesario para su
crecimiento. Estos utilizan, asimismo, la agitación mecánica asegurando la uniformidad de
la suspensión microbiana y, sobre todo, provocando una mayor subdivisión de las burbujas
de aire, lo que favorece un aumento de la turbulencia del medio y, por lo tanto, un mejor
contacto gas-líquido. Los tipos de agitadores empleados en las industrias de fermentación
son los normalmente denominados rotativos, de hélice, paletas y turbinas. [11]
Los agitadores industriales son mecanismos sencillos destinados a moverse en el
seno de fluidos más o menos viscosos. Por lo general, trabajan sumergidos en el medio que
han de agitar y no producen demasiada alteración en la superficie libre de éste.
Particularmente, las turbinas de aspas planas han demostrado una superioridad indiscutible
en este tipo de procesos y equipan actualmente la mayor parte de los fermentadores
industriales. Estos agitadores, que giran en un plano horizontal, se colocan normalmente
por encima del dispositivo de aireación, que se encuentra situado, a su vez, cerca del fondo
del fermentador. [11]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-27
Durante los procesos bioquímicos de fermentación, las propiedades reológicas de
los medios de cultivo pueden diferir de las que inicialmente presentaban, debido
fundamentalmente a las variaciones de la concentración celular o también a las estructuras
filamentosas de ciertos micelios formados. [11]
La mayor parte de los medios de cultivo presentan el comportamiento reológico de
los fluidos Newtonianos. Sin embargo, en algunas ocasiones, ciertos medios de
fermentación se caracterizan por un comportamiento no Newtoniano. [11]
II.2.3.2.6 Asepsia
En el medio ambiente existen microorganismos patógenos y/o saprófitos que están
contaminando el aire, agua y suelo y que aprovechan los nutrientes a su alcance para
desarrollarse o permanecer sobre ellos; debido a esto no se puede considerar ningún lugar
libre de microorganismos. Esta situación crea dificultades en los estudios microbiológicos,
pues para estudiar los microorganismos es fundamental tenerlos en cultivos puros. [18]
II.2.4 El medio de cultivo
A los materiales nutritivos suministrados en una forma apropiada para el
crecimiento microbiano se les ha denominado medios de cultivo. [18]
El bajo costo, el rendimiento elevado, la comodidad en la manipulación, la
posibilidad de obtener un suministro continuo durante todo el año, la proximidad al
distribuidor y la pureza son los principales factores que intervienen en la selección del
medio de cultivo. [8]
Los componentes principales de las materias primas son carbohidratos, proteínas y
otros compuestos nitrogenados, fosfatos y otras sales inorgánicas, vitaminas y factores de
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-28
crecimiento. El contenido de carbohidratos determina el rendimiento y en la mayoría de los
casos el valor de la materia prima. Los otros componentes son asimilados o utilizados en
biosíntesis. [8]
Los medios de cultivo pueden ser distribuidos de varias maneras, ya sea en tubos de
ensayo, matraces, placas Petri o botellas, dependiendo del método de inoculación. [18]
Un medio de cultivo puede ser líquido o sólido y debe parecerse lo más posible al
sustrato natural en el cual el microorganismo se desarrolla. Cualquiera sea el medio de
cultivo y la variedad de microorganismo que se desea cultivar, debe incluirse
necesariamente:
a) Agua.
b) Componentes que contengan nitrógeno (proteínas, aminoácidos, sales inorgánicas
que contengan nitrógeno).
c) Fuentes de energía (carbohidratos, proteínas o sales inorgánicas).
d) Factores de crecimiento adicionales.
Los requerimientos nutricionales de las bacterias van desde aquellos simplemente
inorgánicos de los autótrofos hasta los requerimientos de muchas vitaminas y factores de
crecimiento de las bacterias más exigentes. Es difícil obtener un medio capaz de satisfacer a
todos los microorganismos. [18]
Tipos de cultivo:
a) Cultivo en caldo: son cultivos en medios líquidos.
b) Cultivo en medio con agar inclinado: Son los realizados en tubos de ensayo
con unos 6 mL de medio sólido (por ejemplo agar nutritivo), que se han
dejado enfriar en posición inclinada. El inóculo generalmente se extiende
por toda la superficie del medio en forma de zig-zag.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-29
c) Cultivo por picadura: Los tubos con el medio agar se dejan solidificar en
posición vertical. El medio se inocula introduciendo verticalmente en el
centro del tubo el asa o pipeta cargada con el inóculo.
d) Método de difusión: Se utilizan tubos de ensayo o frascos con medio sólido.
El medio se funde. Se enfría a 45ºC, se inocula, se mezcla rodando el tubo
entre las manos y se deja solidificar en posición vertical, o se vierte en una
placa de Petri. [18]
II.2.4.1 Medios sintéticos
Muchos autores han desarrollado y preparado sus propios medios de cultivos
sintéticos, los cuales contienen en reglas generales agua, azúcares, compuestos
nitrogenados y microconstituyentes necesarios para el desarrollo del microorganismo en
particular. A continuación se presenta una serie de medios de cultivos sintéticos y su
respectivo autor:
Lee y Maddox [42] utilizaron un medio que contenía 50 g/L de lactosa, 5 g/L
peptona, 5 g/L extracto de levadura y 2 g/L de K2HPO4.
Por su parte de Mass y Jansen [43] prepararon un medio con la siguiente
composición 12 g/L K2HPO4.3H2O, 1.75 g/L KH2PO4, 2.9 g/L (NH4)2HPO4, 5.8 g/L
(NH4)2SO4, 13.1 g/L de extracto de levadura, 219 mg/L MgSO4.7H2O, 44 mg/L
FeSO4.7H2O, 8.8 mg/L CaCl2.2H2O, 0.9 mg/L ZnSO4.7H2O, 0.9 mg/L MnSO4.H2O, 44
mg/L EDTA(sal de disodio), 150 mg/L H2SO4 y 50 o 100 g/L glucosa.
Mientras que, el medio de cultivo utilizado por Eiteman y Miller [44]se constituía
por: 10 g/L K2HPO4.3H2O, 2.4 KH2PO4, 7 g/L (NH4)2SO4, 4 g/L (NH4)2HPO4, 0.01 g/L
MgSO4.7H2O, 0.01 g/L MnSO4.H2O, 0.01 g/L FeSO4.7H2O y 5 g/L extracto de levadura.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-30
Aun cuando existe una gran variedad de medios de cultivos sintéticos enriquecidos,
durante este proyecto se utilizará un desecho de la industria láctea, el suero de leche, el cual
presentará sus características a continuación.
II.2.4.2 Suero de leche
El lactosuero o suero de leche es la fracción líquida de la leche que se separa de la
cuajada durante la fabricación del queso, con una relación aproximada de 9 Kg de suero por
cada Kg de queso producido, los cuales se clasifican en sueros ácidos y dulces: los primeros
proceden de una coagulación láctica de la caseína; mientras que, los sueros dulces se
producen en la coagulación enzimática. [21, 23, 26]
La lactosa, componente presente en mayor concentración, es la principal
responsable de la alta demanda biológica de oxígeno de este efluente, por lo que no puede
eliminarse como vertido de la industria láctea. El volumen de este efluente industrial es el
85% del volumen inicial de leche destinada a la producción quesera. Este subproducto
posee interés industrial derivado de su contenido en lactosa (65-80% en base seca) y
proteínas (9.9-15.5% en base seca). Sin embargo, el principal problema es la recuperación
económica de estos componentes del suero, debido a su elevada dilución. [26]
La composición del lactosuero varía con la calidad de la leche utilizada y con el
proceso de fabricación. Una composición media de ambos tipos de suero se muestra en la
tabla II.- 5 [25]. Cuando se centrifuga el suero, el contenido en grasa disminuye hasta el
0.03-0.05%, lo que hace que pase a tener un contenido muy bajo en vitaminas liposolubles
(A, D y E). [21]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-31
Tabla II.-5: Composición de sueros dulces y ácidos en (%m/v). [25]
Tipo de suero sin centrifugar
Dulce Ácido
Humedad 93-94 94-95
Grasa 0,3-0,5 0,3-0,6
Proteínas 0,8-1,0 0,8-1,0
Lactosa 4,5-5,0 3,8-4,2
Minerales 0,5-0,7 0,7-0,8
Ácido láctico y otros 0,1 0,1-0,8
Aunque la composición del suero lácteo varía de forma importante según la leche de
origen o el queso fabricado, la composición media de un suero fresco convencional se
resume en la tabla II.- 6. [23]
Tabla II.-6: Composición media del suero de leche. [23]
Componente % base húmeda %base seca
Agua 94,25 -
Proteínas 0,8 13
Lactosa 4,3 75
Grasa 0,1 2
Otros 0,55 10
Las principales proteínas del suero lácteo son �-lactoalbúmina, que se encuentra
sólo en determinadas especies animales, constituyen la fracción más importante de las
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-32
proteínas de la leche humana, y la �-lactoglobulina. Otras proteínas importantes en el suero
lácteo son las inmunoglobulinas. Tradicionalmente, este subproducto no era considerado en
todo su valor debido a la gran cantidad de agua que contiene y, cuando no era vertido, su
uso se limitaba al riego de campos, que de esta forma no requieren de otro tipo de abonos, o
al uso de forraje para animales, fundamentalmente cerdos. [22]
Usualmente, los métodos para el aprovechamiento del lactosuero han tenido
especial énfasis en la recuperación y fraccionamiento de las proteínas mediante procesos de
membranas, lo que significa la recuperación del 15 al 22% de las proteínas totales de la
leche. Industrialmente se procede a la concentración del suero por ultra-filtración, con lo
que se obtiene un permeado libre de proteínas. El concentrado recuperado por ultra-
filtración del suero lácteo contiene �-lactoglobulina (55-60%), �-lactoalbúmina (15-25%) y
seroproteínas (10%). Este producto contiene un alto valor debido a sus excelentes
propiedades funcionales y nutricionales, y tiene ya un mercado definido. [26]
Algunas industrias tratan el efluente de suero a través de una etapa de ultra-
filtración, sin embargo, el permeado de la etapa de ultra-filtración mantiene inalterada la
carga contaminante del suero, por lo que la separación de las proteínas no es una solución
al problema del tratamiento de efluentes, sino una forma de rentabilizar un subproducto.
Una alternativa de utilización del permeado son los procesos de bajo costo, entre los que se
incluyen la alimentación de ganado, su uso como fertilizante y el secado para su empleo en
productos alimentarios. [26]
El lactosuero es un producto de gran interés no solo a su alto contenido en lactosa y
en proteínas solubles ricas en aminoácidos indispensables (lisina y triptófano), así como por
la presencia de numerosas vitaminas del grupo B (tiamina, ácido pantoténico, riboflavina,
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-33
piridoxina, ácido nicotínico y cobalamina) y ácido ascórbico. Sin embargo, su alto
contenido en sales minerales limita en algunos casos su consumo en bruto. [21]
Del suero pueden obtenerse gran cantidad de productos, algunos de los cuales se
muestran en la figura II.-4. [24]
Figura II.-4: Algunos procesos y productos asociados con la utilización del suero. [24]
Normalmente el suero no va a ser procesado en la propia industria quesera, sino que
tiene que ser transportado hasta una central, donde los procesos de concentración y
deshidratación se realizarán en plantas a gran escala de evaporación y secado,
disminuyendo así los costos. [21]
Otro de los inconvenientes del suero es su elevada concentración en sales minerales.
La desmineralización se realiza según las técnicas de electrodiálisis, ósmosis inversa y
resinas cambiadoras de iones. [21]
SUERO
Pasteurización Concentración Fermentación
Crema suero
Suero pasteurizado dulce
Proteínas de suero
Suero seco
Suero conden
d
Suero condensado dulce
Riboflavina
Alcohol etílico
Ácido láctico
Goma Xanthan
Mantequilla
Bebidas
Lactosa
Hidrolizados de proteína
Sopas Quesos
Fabricacion de queso
Piensos
Bombones
Panade ría
Alimentacion infantil
Jarabes hidrolizados
Píldoras
Riboflavina concentra
Alcohol butílico, acetona
Acido acético
Acidulantes alimentarios
Resinas, recubrimiento Curtidos
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-34
El suero desmineralizado en polvo tiene en alimentación humana aplicaciones
variadas. En panadería añadiendo 2% de suero en polvo a la harina se producen mejoras en
el pan. El suero en polvo puede también ser usado en pasteles y galletas. Puede añadirse a
los zumos de frutas para aumentar su contenido en proteínas. [21]
Suero desmineralizado parcialmente por electrodiálisis, al que se añade grasa,
permite obtener leches maternales por aproximarse mucho a la de la leche materna. [21]
Las proteínas del lactosuero son de excepcional calidad por no ser deficientes en
ningún aminoácido. Tienen un elevado contenido de lisina (11% en �-lactoglobulina y 10-
11% en �-lactoalbúmina) lo que hace que sean un complemento ideal para la ración de
cualquier organismo en crecimiento. Desde el punto de vista nutricional tiene un valor
biológico superior a la caseína; su extracción es de gran interés (proteínas). [21]
La lactosa es un disacárido formado por los monosacáridos glucosa y galactosa. En
la industria farmacéutica se utiliza la lactosa por ser uno de los glúcidos más adecuados
para preparar medios fermentativos para el desarrollo de mohos productores de antibióticos.
También se utilizan grandes cantidades de lactosa refinada en la preparación de numerosos
medicamentos. En la industria alimentaria se utiliza añadiéndola a algunas pastas en
panadería y pastelería. En la fabricación de patatas fritas se sumergen éstas en una
disolución de lactosa para mejorar y regularizar el color tras la cocción. En la preparación
de alimentos dietéticos y para niños se utiliza lactosa muy pura, por constituír una fuente de
galactosa. [21]
La lactosa tiene un pobre poder edulcorante y limitada solubilidad que puede ser
mejorada por su hidrólisis a cantidades equimoleculares de los monosacáridos. Esta
hidrólisis puede ser llevada a cabo por procesos de catálisis ácida y enzimática. La
selección del método apropiado dependiendo de la naturaleza del sustrato, uso del producto,
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-35
necesidad de condiciones sanitarias y costos de inversión y producción, fueron estudiados
por Gekas. [19]
El lactosuero constituye un excelente medio de cultivo principalmente para aquellos
microorganismos capaces de metabolizar la lactosa para producir proteínas, a las que se le
conoce como lacto-proteínas. [21]
El suero puede someterse a diversos procesos fermentativos conducentes a la
obtención de ácidos, alcoholes, enzimas, vitaminas, bebidas alcohólicas, etc. Algunas de
estas fermentaciones han encontrado aplicaciones industriales, mientras que otras no han
pasado de la fase experimental. [21]
II.2.4.3 Preparación del medio de cultivo para una fermentación
Casi todas las materias primas tienen que someterse, antes de exponerlas a la acción
microbiana, a tratamientos físicos y químicos para obtener un substrato apropiado para el
organismo y que se adapte a las condiciones del tratamiento. La clarificación es, a menudo,
necesaria para obtener líquidos completamente transparentes; se realiza agregando una
pequeña cantidad de un material insoluble y de mucha superficie o produciendo un
precipitado. El ajuste de pH del substrato a un valor óptimo inicial antes de la inoculación
de los microorganismos es una parte de la preparación de las materias primas. El pH inicial
óptimo depende de la especie de organismo usado, de la reacción deseada y de las
condiciones del proceso. [8]
La temperatura inicial óptima depende de factores análogos a los que controlan el
pH. Aunque la mayoría de los organismos toleran rangos de temperatura amplios, existen
intervalos óptimos, tanto para el crecimiento como para la acción enzimática. Con
frecuencia son idénticos o están muy próximos. [8]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-36
Algunos procesos exigen la esterilización completa o parcial de la materia prima. La
esterilización completa suele efectuarse durante la preparación del material o después de
ella, calentando la sustancia en un autoclave a una temperatura a la cual se destruyan todos
los microorganismos. Las soluciones transparentes, en las cuales es buena la transmisión de
calor, se esterilizan con relativa facilidad. Suelen ser suficientes 15 minutos a 120 ºC. [8]
La esterilización parcial de la materia prima se realiza exponiéndola a 80-100 ºC,
temperatura a la cual mueren las células vegetativas de todos los organismos. En la
pasteurización, que suele aplicarse a la leche y la crema, se expone la sustancia al calor
mínimo suficiente para destruir todas las bacterias patógenas; 60ºC durante 20-30 minutos
o bien 80-85 ºC durante un minuto, o menos, son las temperaturas comúnmente usadas. [8]
II.2.5 Preparación del inóculo e inoculación
El inóculo es cualquier cantidad de organismos vivos, con o sin el medio en el cual
se desarrollan, que sirve como iniciador para un substrato recientemente preparado. Los
organismos proliferarán en el seno del substrato en la superficie del mismo y catalizarán un
cambio bioquímico deseado. [8]
Los inóculos tienen que poder propagarse rápidamente y completar la acción
microbiana deseada en un tiempo limitado. Se preparan de muchas maneras y de diferentes
tipos. [8]
Es esencial usar una técnica aséptica durante la inoculación y manejo en el
laboratorio. La transferencia de los cultivos puede hacerse mediante un asa (alambre de
cromo- níquel o de platino) o una pipeta Pasteur. La esterilización se hace a la llama de un
mechero y enfriado antes de entrar en contacto con el crecimiento microbiano. Los tapones
de algodón de los tubos deben tomarse sólo por la superficie que queda por fuera del tubo,
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CAPITULO II
II.-37
procurando que la parte que va en el interior no se contamine. La boca del tubo o matraz
debe flamearse momentáneamente después de destaparse y de nuevo inmediatamente antes
de volver a poner el tapón. Para reducir al mínimo el peligro de contaminación del tubo, se
mantiene en posición inclinada próximo a la llama del mechero y trabajarse con rapidez. [18]
II.2.6 El equipo. Bio-reactores. Componentes principales y características.
Un fermentador es un recipiente de vidrio o acero inoxidable si el uso es
farmacéutico, o de material menos noble, como acero al carbono, en el caso de aplicaciones
menos exigentes en pureza. Por lo general, el reservorio tiene una altura 2.5 a 4 veces
superior a su diámetro, y en función de la aplicación, su volumen varía entre 1.000-10.000 l
en el caso de un producto farmacéutico, a 1.500.000 l. [3]
El tamaño del biorreactor a utilizar depende del proceso de producción y de como
éste va a operar. Los fermentadores modernos son cilindros verticales, cerrados, con fondo
cónico o cóncavo, y están provistos de controladores automáticos los cuales regulan la
temperatura, la agitación y la aireación y medios para la esterilización automática con vapor
[13].
Para el cultivo de los microorganismos en procesos industriales a menudo se utilizan
fermentadores, como el mostrado en la figura II.-5, con agitación especialmente diseñados,
que pueden funcionar en condiciones aeróbicas o anaeróbicas. La adición de nutrientes, el
muestreo y la vigilancia de la fermentación pueden realizarse en condiciones de asepsia. [9]
Con equipos a gran escala es muy difícil el proceso de transferencia de oxígeno
desde el gas al líquido y se deben tomar las precauciones para asegurar una aireación
adecuada. Para lograr este efecto de manera controlada se utilizan dos instrumentos
separados: un dispositivo de aireación llamado difusor y uno de mezclado llamado
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-38
impulsor. El difusor es un instrumento con una serie de agujeros en un aro de metal o una
boquilla, a través de los cuales se puede hacer pasar aire hasta el fermentador, esterilizado
por filtración, a gran presión. El aire entra al biorreactor en forma de pequeñas burbujas, a
partir de las cuales el oxígeno pasa, por difusión hacia el líquido. Un buen sistema de
distribución debe asegurar que las burbujas sean tan pequeñas que el paso del oxígeno al
líquido se haga fácilmente.
A continuación se presenta el esquema explicativo de un bio-reactor industrial en la
figura II.-5.
Figura II.-5: Esquema de un fermentador ilustrando su construcción y los dispositivos para la aireación y
procesos de control. [13]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-39
En los fermentadores pequeños, el uso de un solo difusor puede ser suficiente para
asegurar una adecuada aireación, pero en los fermentadores de tamaño industrial, el agitado
del fermentador con una rueda de paletas es esencial. El agitado cumple dos funciones:
mezcla las burbujas del gas por todo el líquido y mezcla los organismos por todo el líquido,
asegurando de este modo el acceso uniforme de todas las células microbianas a los
nutrientes. Uno de los agitadores más corrientes es una lámina plana o un disco plano unido
a un eje central, que gira a gran velocidad al girar el eje unido a un motor. Con el fin de
asegurar el máximo de mezclado gracias al impulsor, suelen instalarse deflectores
verticalmente a lo largo del diámetro interno del biorreactor. Al ser revuelto por el
impulsor, el líquido pasa al lado de las placas dispersadoras y de este modo se rompen en
fragmentos más pequeños. [13]
Los bio-reactores en general, deben cumplir con una variedad de parámetros y
características para tener un óptimo desarrollo de sus funciones. Entre las características
más importantes se encuentran: capacidad de operar de manera aséptica, agitación y
aireación adecuadas, bajo consumo de potencia, control de temperatura y pH, facilidad para
toma de muestras, pérdidas por evaporación mínimas, bajo mantenimiento, flexibilidad,
ensamblaje por soldaduras y fácil escalado.
II.2.6.1 Bio-reactores. Clasificación
Existen diferentes formas de clasificar a los bio-reactores. La clasificación más
utilizada para los reactores en general, se basa en la manera en que el flujo de reactantes
atraviesa al equipo para lograr la reacción. Existen tres formas distintas: flujo continuo,
flujo discontinuo y, flujo semi continuo. También se utiliza una clasificación específica
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-40
para los biorreactores o fermentadores para procesos aeróbicos, los cuales son: estanques
aireados agitados, reactores tubulares (air-1ift), estanques a recirculación.
A continuación se desarrollan cada uno de los diferentes tipos de bio-reactores.
II.2.6.1.1 Bio-reactores según la manera en que los reactantes atraviesan el equipo.
II.2.6.1.1.1 Bio-reactores de flujo continuo
Para estos equipos siempre es posible visualizar una entrada de reactantes del que se
alimentan y una salida de productos. Los biorreactores que operan a flujo continuo también
lo hacen en estado estacionario. Existen dos tipos de reactores que operan a flujo continuo:
los reactores tubulares (RP) y los reactores agitados permanentemente (RAP).
El reactor tipo tanque agitado permanentemente (RAP) se usa cuando se requiere
una agitación intensa. Este, puede usarse solo o en una batería de RAP en serie. Se emplean
reactores continuos agitados permanentemente para obtener mayores producciones, siempre
y cuando el tiempo de reacción sea razonablemente corto, cuando se desea que la
temperatura sea uniforme dentro del reactor y, cuando la mano de obra es cara. En el caso
de reacciones en fase líquida, que operan en estado estacionario, los caudales de las
corrientes de entrada y de salida permanecen constantes, por lo que nivel de líquido dentro
del tanque es fijo. Su única desventaja radica en que la conversión de reactantes es más baja
en comparación a los reactores de flujo tubular. [20].
A continuación, en la figura II.-6, se presenta un esquema general de un reactor
agitado permanentemente.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-41
Figura II.-6: Diagrama general de un reactor agitado permanentemente. [14]
Los reactores de flujo tubular (RP) operan en continuo y se caracterizan por la
aparición de gradientes de concentración en la dirección del flujo, aproximándose a la
suposición de flujo pistón, en contraposición con los gradientes escalonados típicos de las
baterías de RAP. Los reactores tubulares pueden estar constituidos por varias tuberías o
tubos en paralelo, donde los reactivos se alimentan de forma continua por un extremo y los
productos se recogen de forma continua por el otro. [14] Las reacciones en fase gaseosa, que
precisan una producción en continuo, se llevan a cabo, preferentemente, en tales unidades
de reacción, así como también se emplean para muchos procesos en fase líquida. Los
tiempos de reacción son generalmente cortos; siendo este hecho más factible con el empleo
de temperaturas elevadas. Los reactores tubulares operan a presión casi constante. El
reactor tubular es de fácil mantenimiento y produce la conversión más alta por volumen de
reactor de cualquiera de los reactores de flujo. La desventaja radica en su dificultad para
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-42
controlar la temperatura dentro del reactor, y pueden formarse puntos calientes cuando la
reacción producida es exotérmica. [20]
Los reactores de lecho fijo son una modificación al reactor RP. Son tubos
empacados con catalizador y se usa específicamente para reacciones en fase gas. En su
interior tendrán lugar la formación de gradientes de composición y temperatura en las
direcciones radial y axial, por lo cual tiene problemas para el control de la temperatura, así
como para el reemplazo del catalizador. Cuando ocurre un acanalamiento del gas, se hace
inefectivo el uso de una parte del lecho catalítico. La ventaja de este tipo de reactor es que
en la mayoría de las reacciones se obtienen altas conversiones por peso de catalizador. [20]
La fermentación en continuo puede llevarse a la práctica fundamentalmente de dos
formas diferentes:
a. En una sola etapa: el cultivo se realiza en un fermentador en régimen
estacionario, alimentándose el tanque agitado con el medio nutritivo
y con los microorganismos, con un caudal idéntico al de la corriente
efluente, constituida por mezcla de productos obtenidos y micro-
organismos arrastrados en la misma.
b. En varias etapas: el cultivo se realiza en una serie de fermentadores
dispuestos en cascada o en serie. El alimento fresco se introduce en
el primer tanque agitado y los distintos efluentes se envían,
respectivamente, a cada uno de los restantes reactores.[27]
II.2.6.1.1.2 Bio-reactores de flujo discontinuo
En un reactor discontinuo, también conocido como reactor Batch, todos los
reactantes se mezclan inicialmente en el reactor y, una vez puesto en marcha, la
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-43
concentración de los reactantes varía con el tiempo, pero en cualquier momento ésta puede
considerarse uniforme para todo el sistema. La agitación proporciona la mezcla de las
especies alimentadas, que inicialmente estaban separadas y además facilita la transferencia
de calor. [20]
Los reactores discontinuos son tanques que normalmente van provistos de sistemas
de agitación y de sistemas de intercambio de calor para mantener la temperatura de
reacción dentro de un intervalo deseable (Figura II.-7). Estos reactores son adecuados,
principalmente, para llevar a cabo reacciones relativamente lentas de varias horas de
duración, en los que, además, hay que tener en cuenta el tiempo muerto para llenar, vaciar y
acondicionar las materias primas y que en los equipos grandes pueden llegar a ser alrededor
de una hora. La agitación mantiene la uniformidad de la masa de reacción y favorece la
transmisión de calor. En general, estos reactores operan en fase líquida. [20]
Figura II.-7: Diagrama general de un reactor de flujo discontinuo [14].
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-44
Los reactores discontinuos son muy empleados en la práctica debido a su
flexibilidad con respecto al tiempo de reacción, a los tipos de reacciones y al número de
reacciones que son capaces de procesar, aunque su principal uso son para operaciones a
pequeña escala. Tienen la ventaja de obtener altas conversiones que pueden lograrse
dejando los reactivos dentro del reactor por largos períodos de tiempo. Las desventajas son
sus altos costos de operación por unidad de producción y la dificultad de obtener
producción a gran escala.
II.2.6.1.1.3 Bio-reactores de flujo semi continuo
Las operaciones que se conocen como semi continuo o en semi Batch pueden
llevarse a cabo en uno o varios tanques agitados. Algunos reactivos se alimentan a los
reactores como una sola carga y los restantes se alimentan posteriormente, de forma
gradual. Este método de operación está especialmente indicado en sistemas de reacción en
los que se producen grandes variaciones de calor y cuando la capacidad de transmisión de
calor es limitada, empleándose la limitación de las de las concentraciones de algunos
reactivos para controlar la velocidad de reacción, de manera que sea posible disminuir la
velocidad de generación de calor en el caso de reacciones exotérmicas y mantener la
velocidad de consumo de calor, cuando se trate de reacciones endotérmicas. Otras
situaciones que hacen aconsejables esta clase de funcionamiento se plantean cuando la
presencia de altas concentraciones puede influir sobre la formación de productos colaterales
indeseables, o cuando uno de los reactivos es un gas de solubilidad limitada, de forma que
sólo pueda alimentarse en función de su solubilidad [14].
El reactor semi Batch tiene las mismas desventajas que el reactor Batch; sin
embargo, entre sus ventajas se encuentran el buen control de temperatura y su capacidad de
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-45
minimizar las reacciones laterales como se explicó con anterioridad. Este equipo se usa
generalmente para reacciones que se producen en dos fases, en el cual el gas se burbujea
continuamente a través del líquido.
II.2.6.1.2 Bio-reactores según la forma de agitación
II.2.6.1.2.1 Bio-reactores aireados agitados
Estos son los más tradicionales y tuvieron un gran desarrollo durante los años 50 y
se usan para la producción de antibióticos como la penicilina a escala industrial. El diseño
implementado en aquella época se ha mantenido hasta hoy, a pesar que se han efectuado
varias modificaciones importantes, en particular en el sistema de agitación. [3]
El fermentador agitado consiste en un cilindro vertical que posee varios deflectores
para prevenir la formación de un torbellino durante la agitación. El aire estéril penetra por
la base del reservorio, a través de un distribuidor circular. El eje vertical lleva una o varias
hélices en función de la relación altura/diámetro como se muestra en la figura II.-8. En los
últimos veinte años, varias compañías han modificado los agitadores de sus fermentadores,
con el fin de disminuir los gastos en energía de agitación. [3]
A pesar de que este modelo de fermentador no es el más económico de instalar ni de
operar, sigue siendo el más utilizado desde los últimos treinta años. La razón de su éxito
reside en su gran versatilidad para ser usado a cualquier escala de producción y para un
gran número de procesos sin modificaciones del diseño. Por lo tanto, los costos
relativamente elevados de inversión y operación se encuentran compensados por su
flexibilidad. [3]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-46
Figura II.-8: Tanques agitados. El mezclado se realiza mecánicamente. [4]
El aire se inyecta por la parte inferior del tanque y es distribuido por una corona que
posee pequeños orificios espaciados regularmente. [4]
El chorro de aire que sale de cada orificio es "golpeado" por las paletas de la turbina
inferior generándose de este modo miles de pequeñas burbujas de aire, desde las cuales
difunde el O2 hacia el seno del líquido. El sistema de agitación se completa con cuatro o
seis deflectores que tienen por finalidad cortar o romper el movimiento circular que
imprimen las turbinas al líquido, generando de este modo mayor turbulencia y mejor
mezclado. [4]
II.2.6.1.2.2 Biorreactores tubulares tipo air-lift
Se trata de un reactor en forma de torre o columna, en el cual el aire es introducido
en la base del tubo, y la ascensión de las burbujas de aire constituye el único tipo de
agitación existente. [3,17] Básicamente consiste en dos cilindros concéntricos y por la base
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-47
de uno de ellos, por ejemplo el interior, se inyecta aire. De este modo se genera una
circulación de líquido ascendente en el compartimento interno y descendiente en el externo,
lo que favorece el mezclado (Figura II.-9). Su desventaja radica en que generan demasiada
espuma. [4,17]
A pesar de que el modelo agitado permite concentraciones superiores de biomasa, el
fermentador tubular, por su simplicidad y costos inferiores de energía, mantenimiento e
instalación, es preferido en algunos procesos al anterior. Estos fermentadores son utilizados
en la producción de cerveza, vinagre y ácido cítrico. [3,17]
Figura II.-9: Esquema de un biorreactor del tipo air-lift. El mezclado se realiza mediante inyección
de aire. [4]
II.2.6.1.2.3 Bio-reactores a recirculación
Todos los fermentadores de este tipo tienen en común el flujo del medio de cultivo
en una dirección definida. Esto se ha logrado gracias a la incorporación de tubos de
aspiración en el diseño, lo cual permite una recirculación interna del fluido, o por el uso de
un conducto de recirculación, el que permite una recirculación externa. [3]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-48
La fuerza motora se desarrolla por el efecto de ascensión de las burbujas de aire
(air-lift) o por un sistema de flujo hidrodinámico. Existe gran polémica sobre las virtudes
de este tipo de sistema, el cual para muchos, es tan eficiente a más que el tanque agitado
con respecto a la transferencia de masa, y con una economía sustancial de energía. [3]
Este sistema es usado, por ejemplo, por la compañía ICI (Imperial Chemical
Industries) de Inglaterra, para producir proteína unicelular en un fermentador de 1.500.000
l. Este tipo de fermentadores ha producido un interés creciente por la reducción en los
costos de producción. Sin embargo, no se conocen bien aún los problemas en la síntesis de
un producto que pueden derivar de las fluctuaciones ambientales a las que es sometido un
microorganismo en este tipo de fermentadores por la falta de agitación. Por lo tanto, el
desarrollo de la investigación en este sentido es indispensable. [3]
II.2.7 Variables importantes a ser controladas durante el proceso de fermentación
Las actividades asociadas con los reactores biológicos incluyen el contacto gas-
líquido, la detección de concentraciones en línea, el mezclado, la transferencia de calor, el
control de la espuma, y la alimentación de nutrientes y los reactivos tales como los
necesarios para controlar el pH.
Es posible identificar un número elevado de variables que influyen sobre el diseño y
el funcionamiento de un reactor químico con transmisión de calor, a partir del tamaño y del
tipo de reactor; de la distribución del catalizador en los lechos si éstos existen, de su
clasificación según su tamaño y porosidad; de la geometría de la superficie a través de la
cual tiene lugar la transmisión de calor; así como del diámetro del tubo, de su longitud,
entre otros. La experiencia, sin embargo, ha demostrado que la temperatura del reactor, el
pH del medio de cultivo y la concentración del oxígeno en la solución, son las variables
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-49
primarias; la composición y el caudal de alimentación tienen una importancia secundaria; y
las características geométricas del catalizador, si existen, y los equipos auxiliares de
transmisión de calor son factores terciarios. A continuación se desglosará el efecto directo e
intrínseco de cada variable durante el proceso de fermentación y las razones por la cual es
un parámetro importante a controlar durante el proceso de fermentación.
II.2.7.1 Concentración de oxígeno
En los procesos aeróbicos típicos es indispensable la presencia de aire mientras que
en los procesos anaerobicos es imperativa la ausencia de aire. [8]
Uno de los factores críticos durante el control de un proceso de fermentación es el
suministro de oxígeno adecuado. Debido a que el oxígeno es un gas poco soluble en
líquidos y menos en soluciones, se hace necesario mantener un alto burbujeo del gas a
través del sustrato para lograr que el microorganismo mantenga una respiración sin
impedimentos.
Según las necesidades específicas, el aire puede suministrarse de varias maneras. La
más sencilla es por contacto superficial: el líquido o la masa húmeda de substrato, con
preferencia en capas delgadas, se expone a la acción de la atmósfera. En la escala
laboratorio es conveniente airear un gran número de matraces que contienen pequeñas
cantidades de líquido, agitándolos constantemente por medio de un agitador. De esta
manera, se consigue una aireación uniforme en cada matraz. [8]
El método de aireación más empleado es hacer burbujear aire a través del substrato
líquido. Puesto que la superficie de las burbujas y el tiempo de contacto son los principales
factores en una aireación eficaz, se han ideado diversos dispositivos para distribuír el aire
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-50
en forma de burbujas del tamaño más pequeño posible y mantenerlas flotando en el líquido
el mayor tiempo posible. [8]
La cantidad de aire necesaria en un proceso se expresa en volumen de aire por
volumen de líquido y por minuto. La cantidad de aire que necesita un proceso varía según
el tamaño de las burbujas y según la altura del nivel del líquido. Se necesita de diez a
cincuenta veces más aire en forma de burbujas grandes que en forma de burbujas finamente
distribuidas. [8]
II.2.7.2 Temperatura
La temperatura es otro de los parámetros fundamentales a controlar en un proceso
de fermentación. Los microorganismos que crecen a una temperatura inferior a la óptima
tendrán un crecimiento retardado produciendo una disminución de la conversión esperada.
Por el contrario, si la temperatura es demasiado alta, pero no letal, se puede inducir una
respuesta de estrés al choque térmico con la consiguiente producción de proteasas celulares
que ocasionan una disminución en el rendimiento de los productos proteicos. A fin de
obtener rendimientos óptimos, las fermentaciones deben ser llevadas a cabo en un margen
estrecho de temperatura y de ser posible constante. La velocidad de producción de calor
debida a la agitación y a la actividad metabólica no se ve compensada por las pérdidas de
calor que resultan de la evaporación, por lo que se debe recurrir a sistemas de refrigeración
como las chaquetas de agua.
Se puede operar con sólo camisa de enfriamiento, pero si se aumenta la escala es
necesario usar serpentines.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-51
II.2.7.3 pH:
La mayoría de los microorganismos crecen óptimamente entre un intervalo de pH de
5.5 a 8.5; sin embargo, durante el período de crecimiento en un fermentador, los
metabolitos celulares son liberados al medio, lo cual acarrea una variación en el pH del
medio de cultivo. Por lo tanto, para mantener el pH del medio de cultivo constante se añade
un ácido o una base al medio en los momentos que sean necesarios, mezclándose
rápidamente de tal manera que el pH del medio de cultivo sea el mismo en todo el bio-
reactor.
II.2.7.4 Agitación y mezclado:
La agitación es la operación que acelera el contacto entre las fases que se
encuentran dentro del biorreactor. Una fermentación microbiana puede ser considerada
como un sistema de tres fases, que implica reacciones líquido-sólido, gas-sólido y gas-
líquido. La fase líquida contiene sales disueltas, sustratos y metabolitos. La fase sólida
consiste en células individuales, burbujas de micelio, sustratos insolubles o productos del
metabolismo que precipitan. La fase gaseosa proporciona un reservorio para el suministro
continuo de oxígeno, para la eliminación del dióxido de carbono para el ajuste del pH con
amonio gaseoso. Una adecuada agitación del cultivo microbiano es esencial para la
fermentación ya que produce los siguientes efectos: dispersión del aire en la solución de
nutrientes, homogeneización para la temperatura, el pH y la concentración de nutrientes en
todo el equipo, suspensión de los microorganismos y de los nutrientes sólidos y dispersión
de los líquidos inmiscibles, si existen. Bajo estas premisas se hace notar que cuanto mayor
sea la agitación mejor será el crecimiento microbiano; sin embargo, la agitación excesiva
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-52
puede romper las células grandes e incrementar la temperatura lo cual ocasiona un descenso
en la viabilidad celular, por lo tanto se debe conseguir un balance entre la necesidad de
mezclado evitando el daño celular. Generalmente, se utilizan agitadores rotativos los cuales
tienen un sistema interno mecánico de agitación ya que éstos son más flexibles en las
condiciones de operación, son más comerciales, proveen de una eficiente transferencia de
gases a las células y se tiene mayor experiencia en cualquier escala. En la figura II.-10 se
muestra de manera gráfica el efecto de la agitación en un biorreactor.
Figura II.-10: Comparación de patrones de flujo en bio-reactores con y sin deflectores. (A) Tanque sin
deflectores (se forman vórtices). (B) Tanque con deflectores (no se forman vórtice). [15]
II.2.7.5 Asepsia
La tecnología microbiana es única, en el sentido de que requiere que los procesos
sean operados sin contaminación biológica. No existe un método cuantitativo seguro y
confiable para medir la concentración de contaminantes en un sistema debido a que los
contaminantes individuales varían mucho en su efecto potencial. Un proceso típico de
fermentación es susceptible de contaminarse por el medio, el inóculo y el proceso de
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-53
inoculación, el suministro de aire, la adición de nutrientes, antiespumantes y otros aditivos
durante el proceso, y el fermentador en sí mismo. En la práctica, la contaminación ocurre
principalmente por un diseño defectuoso de los sellos del reactor o durante las técnicas de
transferencia ya sea del inóculo, aditivos u otros
II.2.8 Transferencia de masa en un biorreactor
El término fermentación distinguía antiguamente a los procesos en los cuales el
oxígeno estaba ausente, pero en la actualidad el término se ha extendido a los procesos
aerobios. En algunas fermentaciones aerobias, aportar la cantidad suficiente de oxígeno
puede ser un problema difícil de resolver. El oxígeno es escasamente soluble en agua; la
saturación con aire presurizado a temperatura ambiente solo proporciona 6 a 7 miligramos
de oxígeno por litro. [14]
Como se explicó anteriormente, en los procesos de fermentación aeróbicos es
necesario un suministro adecuado de oxígeno que satisfaga los requerimientos metabólicos
de los organismos empleados. La oxidación de la fuente de carbono y su transformación en
células, productos y CO2 establece una demanda que es necesario satisfacer a través de la
aireación y la agitación del cultivo. [15]
Para conocer los requerimientos de oxígeno en un proceso de fermentación
cualquiera, se hace necesario calcular las resistencias a la transferencia que encuentra el
oxígeno para llegar a la célula. Estas resistencias a la transferencia son: transferencia
difusional del oxígeno a través de la película de gas y líquido que rodea las burbujas de
aire, el camino de las burbujas a través de la solución y a través de la película que rodea la
célula y la reacción bioquímica intracelular. Se ha demostrado que la mayor resistencia la
opone la película del líquido que rodea las burbujas siempre y cuando la célula sea un
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-54
organismo unicelular; en caso contrario, la mayor resistencia es impuesta por la difusión a
través del agregado mismo. [15]
La velocidad de transferencia de masa viene dada por la siguiente expresión:
Velocidad de transferencia = coeficiente de transferencia *área*fuerza directriz
Debido a que el número y tamaños de burbuja es algo difícil de estimar, el área de
transferencia se suele incorporar con el coeficiente de transferencia de materia con un
término aKl . El subíndice l significa que la resistencia de la película líquida debería
predominar claramente para un gas escasamente soluble tal como el oxígeno.
La fuerza directriz viene dada por el gradiente de concentración entre la interfase
gas-líquido, la cual se asemeja a la solubilidad y la concentración de oxígeno en el seno del
líquido. Sustituyendo todos los parámetros en la expresión anterior, se obtiene:
� �LgL CCaKOTR �� ** (Ec. 1)
De esta manera se representa de manera cuantitativa la transferencia de oxígeno del
sistema de aireación. [15].
Sin embargo, antes de estudiar cualquier método de cálculo para la obtención del
coeficiente de transferencia de oxígeno, es importante definir el término demanda de
oxígeno. Cuando la velocidad de un proceso está limitada por la concentración de oxígeno,
la tasa específica de respiración )( 2Qo también aumenta rápidamente con la concentración
de oxígeno disuelto, hasta que se alcanza una asíntota. La concentración por debajo de la
cual la respiración está fuertemente limitada se llama concentración crítica de oxígeno, la
cual varía típicamente entre 0.5 y 2 ppm para bacterias, levaduras y mohos bien dispersados
que crecen entre 20 y 30 ºC. Por encima de la concentración crítica, la absorción específica
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-55
de oxígeno aumenta sólo débilmente con el incremento de la concentración de oxígeno. La
fórmula que describe el proceso es:
g
M
YXXQoXQo **)(
* 22
�� (Ec. 2)
Donde:
X : Concentración del organismo, M: como subíndice significa mantenimiento, gY :
Rendimiento de masa celular por masa de oxígeno y Q: tasas de absorción de oxígeno en
mas de 2O por masa de organismos.
Este tipo de correlación se aplica a casi cualquier sustrato implicado en el
metabolismo energético celular y está sustentada por datos experimentales y
consideraciones energéticas. Sin embargo, está basado en suposiciones válidas en o
próximas a las condiciones de equilibrio en estado estacionario, y puede no ser válido
durante los estados de transición.
Si la demanda de oxígeno supera las posibilidades de suministro del mismo (OTR)
el crecimiento se realiza bajo limitación de oxígeno; por lo cual, el comportamiento se
vuelve lineal en lugar de exponencial.
II.2.8.1 Resistencias que se oponen a la transferencia de masa
Las resistencias están determinadas por los obstáculos que se oponen a la
transferencia. Estas son:
1. En la película gaseosa (para gases muy solubles).
2. En la interfase gas-líquido.
3. En la película líquida (para gases poco solubles).
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CAPITULO II
II.-56
4. En el seno del líquido.
5. En la película líquida que rodea al sólido.
6. En la interfase sólido-líquido.
7. En la fase sólida conteniendo las células.
8. En los sitios de la reacción bioquímica.
II.2.8.2 Transferencia de oxígeno en procesos fermentativos
La demanda de oxígeno debe ser satisfecha mediante el suficiente suministro de
oxígeno contenido en el aire. El medio usual de airear es por burbujeo de aire en el medio
de cultivo. En esta situación, para que las células reciban oxígeno contenido en las
burbujas, éste se debe difundir en el gas hasta la interfase gas-líquido, luego debe disolverse
en el medio de cultivo y ser transportado como oxígeno disuelto hasta la superficie de la
célula, tal como se muestra esquemáticamente en la figura II.-11. [28]
Figura II.-11: Representación esquemática de los mecanismos de transferencia de oxígeno. [28]
Los diversos procesos de transporte mencionados pueden ser llevados a cabo cada
uno a una determinada velocidad, pero el proceso global se realizará a la velocidad del paso
más lento, o limitante. Se ha determinado que el paso limitante en la aireación de
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CAPITULO II
II.-57
fermentaciones es el paso del oxígeno del gas al líquido. En la figura II.-12 se puede
apreciar la situación en la interfase gas-líquido. [28]
Figura II.12: Perfil de presiones parciales y concentraciones de oxígeno alrededor de la interfase
gas-líquido. [28]
II.2.8.3 Factores que afectan el coeficiente de transferencia de oxígeno
1. Agitación:
Aumenta el área de intercambio por ruptura de las burbujas aumenta el aK L
Disminuye el espesor de la película aumenta el aK L
Aireación: aumenta el número de burbujas aumenta el aK L
2. Temperatura: afecta el coeficiente de difusión y la solubilidad.
3. Viscosidad: a mayor viscosidad, mayor resistencia a la transferencia y aumenta
el aK L .
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CAPITULO II
II.-58
4. Tensoactivos: afectan el área de transferencia y el efecto global depende de la
concentración. Si aumenta la concentración aumenta la resistencia de la película y
disminuye el aK L
5. Fuerza iónica: disminuye la solubilidad disminuyendo así el aK L .
6. Sustancias orgánicas: anti-espumantes, peptonas, micelios y biomasa disminuyen el
aK L , mientras que, los alcoholes, cetonas y ésteres lo aumentan.
7. Configuración del biorreactor.
8. Las propiedades físicas del sistema gas-líquido.
II.3 Escalado en biorreactores
Durante el desarrollo de cualquier proceso biotecnológico pueden considerarse tres
escalas de operación: laboratorio, planta piloto e industrial. En el laboratorio se llevan a
cabo experimentos en biorreactores generalmente de vidrio con volúmenes pequeños de 5 a
10 L de capacidad. Las investigaciones en este nivel permiten evaluar el proceso para saber
si realmente se trata de la creación de un nuevo producto o proceso, interesante para ser
llevado a una escala mayor. Entre estos estudios están el aislamiento y selección de cepas,
su preservación y mejoramiento genético, la formulación de medios de cultivo y el
conocimiento de reguladores y las condiciones ambientales que determinan la producción
del compuesto en cuestión. [13]
En la escala piloto, los experimentos se efectúan con volúmenes mayores a los de
trabajo en el laboratorio y se emplean equipos que son la versión miniaturizada de los que
existen a nivel industrial. Trabajar en esta escala es muy similar a la operación de una
planta industrial y resulta indispensable para los procesos que se llevarán a esta última, ya
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-59
que es factible hacer una evaluación más realista del proceso, de tal forma que los
resultados que se obtengan conduzcan a escalar de manera exitosa el proceso a nivel
comercial. [13]
A escala industrial prácticamente no se realiza investigación, el objetivo principal es
obtener el producto que pretende ser comercializado al menor costo de producción. [13]
En cualquier nivel que se trabaje, el fin que se persigue es proporcionar a las células
los nutrientes y el ambiente necesarios para favorecer la formación de cierto producto.
Se podría definir escalamiento de procesos como el conjunto de procedimientos que
conducen a trasladar y predecir resultados experimentales de una escala de operación a otra.
Constituye una actividad que tiene gran importancia durante el desarrollo de un proceso
biotecnológico de interés industrial.
En términos generales existen dos tipos de escalamiento: el ascendente, cuando el
proceso se lleva del laboratorio a planta piloto y posteriormente a nivel industrial y, el
descendente, cuando se desea optimizar un proceso industrial, evaluar nuevas materias
primas, modificar el procedimiento o el equipo, aumentar los rendimientos de producción o
recuperación del producto.
Para escalar un proceso completo debe seleccionarse un criterio para cada una de las
operaciones unitarias que lo constituyen. Desde el punto de vista de la biotecnología, el
escalamiento ascendente de una fermentación es el proceso más estudiado, esto se debe a
que al cultivar células en reactores de gran capacidad, su actividad metabólica puede
modificarse.
Uno de los problemas más comunes en cualquier industria se presenta al escalar un
proceso en particular. El escalamiento es un conjunto de procedimientos que conducen a
trasladar y predecir resultados experimentales desde un proceso de tamaño conocido a otro.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-60
Cuando la fermentación estudiada es un proceso aerobio es importante analizar cada una de
las variables y resultados en ambas escalas desde el punto de vista fisicoquímico como
biológico debido al doble carácter que presenta el proceso de fermentación.
El problema de traslación de escala ha sido estudiado ampliamente en Ingeniería
Química para el caso de sistemas de materia inanimada, utilizando un enfoque que consiste
en la correlación de las variables involucradas por métodos de análisis teóricos o análisis
dimensional, para luego determinar las nuevas condiciones mediante la aplicación de
diversos criterios de similitud. En la figura II.-13 se muestra un claro ejemplo de un
proceso de escalado desde escala piloto a escala industrial.
Para el escalamiento en la industria en general se utilizan diversos tipos de
similitudes, tales como: similitud geométrica referida a las relaciones entre longitudes,
similitud cinemática la cual exige que las razones de velocidad entre ambos sistemas en
puntos concretos deben ser semejantes, similitud dinámica donde aplica la igualdad entre
razones de fuerza en puntos equivalentes, y similitudes térmicas y químicas aplicada a
igualdades de temperaturas y composiciones semejantes para puntos particulares. La
situación ideal sería obtener la total semejanza resultante de la aplicación de todos los
criterios; sin embargo, esto no se hace posible debido a que diversos criterios dan como
resultado condiciones contradictorias y/o incompatibles.
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CAPITULO II
II.-61
Figura II.-13: Ejemplo de escalado de biorreactores desde escala piloto hasta escala industrial.
En el caso del escalamiento de una fermentación aeróbica, el predecir resultados a
escala de producción basados en el escalamiento de datos obtenidos en el laboratorio o en
la planta piloto requiere de un análisis cuidadoso de cada una de las escalas, tanto en sus
variables fisicoquímicas como biológicas.
Desde el punto de vista de diseño se debe tratar de delinear las variables físicas
(geometría, número de impulsores, etc.) del fermentador y procurar que se mantengan las
mismas condiciones de mezclado, agitación y aireación. Sin embargo, no se puede lograr lo
anterior porque existen limitaciones dimensionales y económicas que restringen los
procedimientos de escalamiento.
En el caso de las fermentaciones es necesario seleccionar criterios que no sólo
cumplan con los factores fisicoquímicos, sino además, con factores biológicos derivados de
las células vivas que en el medio de cultivo se encuentran. La Ingeniería Bioquímica utiliza
criterios como la relación potencia/volumen constante, número de Reynolds constante,
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-62
coeficiente de transferencia de oxígeno constante, capacidad de bombeo del rotor constante
por unidad de volumen, y tiempo de mezclado constante, todos aunados con la semejanza
geométrica. Cabe destacar que todos estos criterios son basados en resultados netamente
empíricos por lo cual presentan un sobre diseño a veces excesivo dependiendo de las cepas
escogidas y el biorreactor seleccionado. En la figura II.-14 se muestra a rasgos generales la
zona donde el escalamiento de un proceso fermentativo se hace efectivo.
Figura II.-14: Dependencia de la fermentación y las variables de operación.
La figura II.-14 muestra esquemáticamente la concentración relativa del producto
final en una fermentación afectada por la relación potencia/volumen o por el coeficiente
volumétrico de transferencia de oxígeno. El patrón hiperbólico que se observa en general,
es independiente de las especies microbianas estudiadas: bacterias, levaduras o mohos.
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CAPITULO II
II.-63
En la práctica se han escogido varios criterios para efectuar el cambio de escala,
todos ellos basados en resultados empíricos.
Los mejores criterios para pasar de una escala a otra son la relación
potencia/volumen constante o coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno
constante. Conviene señalar que si se mantiene la similitud geométrica, es imposible escalar
siguiendo más de un criterio.
II.3.1 Escalado según la relación potencia/volumen
El criterio de constancia de la potencia por unidad de volumen es, tal vez el más
antiguo y tuvo un origen más bien intuitivo. Pese a sus comienzos poco confiables fue
aplicado con éxito durante la década de los 40 para el diseño de plantas productoras de
penicilina y demás antibióticos. Hoy se considera que su aplicación trae consigo una
exagerada sobre dimensión de equipos y parámetros de operación y su uso ha sido
declinado notoriamente.[29]
II.3.2 Escalado según el coeficiente de transferencia de oxígeno constante
Usualmente es la transferencia de oxígeno la que determina la capacidad de un
fermentador y por ello se la ha escogido como criterio para escalamiento.[15]
Los métodos de escalado de fermentaciones más antiguos se basaban en la similitud
geométrica basada en dimensiones físicas proporcionales. Se pensaba que aplicando la
misma potencia por unidad de volumen que en el equipo de planta piloto se conseguiría un
rendimiento equivalente de proceso en grandes fermentadores. El escalado basado en un
coeficiente de transferencia de oxígeno, aKl equivalente ha sido razonablemente
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-64
satisfactorio. Usualmente, para mejorar la transferencia de materia es más eficaz un
incremento de la agitación mecánica que un aumento de la velocidad de aireación.
Un medio adecuado para escalar los procesos aeróbicos consiste en medir la
concentración de oxígeno disuelto que es adecuada en equipos pequeños y ajustar las
condiciones en la planta hasta que se alcance dicha concentración. El criterio del
coeficiente de transferencia de oxígeno constante recibió mucha atención a partir de la
década del 60. Este criterio se fundamenta en la importancia que tiene la adecuada
oxigenación de las células en un cultivo aeróbico y la dificultad que ello implica, debido
tanto a la limitada solubilidad del oxígeno en el medio de cultivo como a las resistencias
existentes a esta operación de transferencia. Sin embargo, en ocasiones, este criterio
produce sobreestimaciones, por lo cual sólo se le considera válido en aquellos casos en el
que el suministro de oxígeno sea limitante o crítico en el proceso de fermentación. [29]
Para el adecuado desarrollo de este criterio de escalamiento, existe una serie de
métodos de medición los cuales presentan características positivas y también algunas
limitaciones y desventajas. Entre las dificultades que presenta este criterio de escalado, se
encuentran:
El valor de aK L varía durante el transcurso de la fermentación,
debido al aumento de la viscosidad, los problemas de espuma y el
aumento de la concentración celular.
Las correlaciones de aK L sólo son válidas en ciertos rangos y para
geometrías particulares, por lo tanto, al emplear una correlación de
aK L deben especificarse las condiciones ambientales y el tiempo de
fermentación en que se determinó éste, pues puede ocurrir que se
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-65
utilice una correlación que no sea la apropiada para el proceso
estudiado.
El método de determinación de aK L .[15]
A continuación se describen los métodos más usados para la determinación del valor
del coeficiente de transferencia de oxígeno, mejor conocido como aK L .
II.3.2.1 Escalado según el coeficiente de transferencia de oxígeno mediante el método
estático
Este método también es conocido como método del “Gassing in”. Los métodos de
evaluación del coeficiente de transferencia de oxígeno mediante técnicas de desgasificación
requieren una reducción previa de la concentración de oxígeno disuelto hasta un valor
ligeramente superior al crítico con el propósito de medir el incremento de la concentración
de oxígeno disuelto en el medio, durante un período adecuado de aireación y agitación. En
este método se reduce la concentración de oxígeno mediante la desgasificación del líquido
con nitrógeno gaseoso o por ultrasonido, de manera que la solución es despojada de
oxígeno. Entonces, el líquido desoxigenado es aireado y agitado con el objeto de medir el
incremento de la concentración de oxígeno disuelto durante un tiempo t. [17]
La velocidad de transferencia de oxígeno es igual a la pendiente de la tangente a la
curva de valores de concentración de oxígeno disuelto en función del tiempo de aireación
tal como se muestra en la figura II.-15 de acuerdo con la siguiente ecuación: [17]
� �LLL CCaK
dtdCOTR ��� ** (Ec. 11)
La integración de la ecuación conduce a la siguiente expresión: [17]
� � taKCC LL *ln * ��� (Ec. 12)
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-66
Por consiguiente, la representación gráfica de ln (C*-CL) en función del tiempo
corresponde a una línea recta cuya pendiente es -KLa como se muestra en la figura II.-16.
Figura II.-15: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución
durante el período de aireación. [17]
Figura II.-16: Representación esquemática de la determinación de KLa por el método estático de
desgasificación. [17]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-67
La determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno, KLa por el método
estático también se realiza en el caldo de fermentación, agregándole células muertas o
micelio para simular la concentración del medio real. El detector del cambio de la
concentración de oxígeno disuelto normalmente es del tipo recubierto por membrana, a
causa de la naturaleza compleja de los caldos de fermentación. Además, el punto donde se
realiza la determinación debe ser representativo del volumen total del caldo. [17]
El tiempo de respuesta del detector, definido como el tiempo necesario para
registrar el 63% de un cambio repentino, debe ser mucho menor que el tiempo de respuesta
a la transferencia de masa del sistema (1/ KLa). La principal desventaja de este método es su
dependencia de las mediciones realizadas en un solo punto del fermentador, el cual puede
no ser representativo de todo el volumen del medio. [17]
II.3.2.2 Escalado según el coeficiente de transferencia de oxígeno mediante el método de
Winkler.
El método de Winkler es una titulación por yodometría realizada comúnmente para
conocer la cantidad de oxígeno disuelto en agua. El análisis de oxígeno disuelto es un
ensayo clave en las actividades de control de la contaminación del agua y en los procesos
de tratamiento de aguas residuales y sirve como base para cuantificar los niveles de
demanda bioquímica de oxígeno, aerobicidad de los métodos de tratamiento, tasa de
aireación y grado de polución de los ríos. Esta técnica titulométrica tiene diversas
modificaciones, dependiendo del tipo de muestra. Este procedimiento utiliza una solución
alcalina de yoduro de potasio como agente oxidable, la cual libera, en medio ácido al
oxidarse, una cantidad de iodo proporcional a la concentración de oxígeno disuelto. El iodo
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-68
liberado puede titularse con una solución estándar de tiosulfato de sodio, en presencia de
almidón como indicador. [45]
Las reacciones que ocurren son:
1. Entre el sulfato de manganeso y el hidróxido de potasio, para formar hidróxido
manganoso.
4224 )(2 SOKOHMnKOHMnSO (Ec. 3)
2. Oxidación del hidróxido manganoso a hidróxido mangánico por el oxígeno disuelto
en el agua.
3222 )(42)(4 OHMnOHOOHMn (Ec. 4)
3. Disolución del precipitado de hidróxido mangánico por el ácido sulfúrico. En este
punto la muestra se considera como fijada y se reduce la importancia de introducir
oxígeno adicional.
OHSOMnSOHOHMn 2342423 6)(3)(2 (Ec. 5)
4. Oxidación del iodo presente en el yoduro de potasio por el sulfato mangánico.
Como la aparición de esta última sustancia proviene de la reacción del oxígeno
disuelto presente en la muestra original, la cantidad de yodo liberado es
directamente proporcional a la de oxígeno disuelto.
2424342 22)( ISOKMnSOKISOMn (Ec. 6)
5. La etapa final es la titulación del yodo liberado con tiosulfato de sodio en presencia
de almidón. Este último reactivo produce una coloración azul oscura con el I2, que
va desapareciendo con el progreso de la valoración, hasta que se desvanece
completamente en el punto final.[45]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-69
��� �
�
IOSOSI
azulcoloralmidónI
22
.2
642
322
2 (Ec. 7)
Después de un período de aireación para la muestra de agua desgasificada (por
medio de ultrasonido o por ebullición) se realizan las siguientes acciones simultáneamente:
se suspende la agitación y la alimentación de aire, se anota el tiempo marcado por el
cronómetro y se toma una muestra. Cada muestra se mezcla con un exceso de reactivo
estándar de ioduro, recién preparado. La titulación se realiza con solución de tiosulfato de
sodio (Na2S2O3) hasta el punto final con un indicador de almidón. [17]
En la práctica, la concentración inicial de oxígeno disuelto, CL, es igual a cero,
entonces la ecuación es: [17]
� �LLL CCaK
dtdCOTR ��� ** (Ec. 8)
**CaKdt
dCOTR LL �� (Ec, 9)
Donde, OTR: velocidad de transferencia de oxígeno (g/L*s); KLa: coeficiente
volumétrico de transferencia de masa (1/s); C*: concentración de oxígeno en la superficie
de separación gas-líquido (g/L); CL: concentración de oxígeno en el seno del líquido
(g/L).[17]
Entonces reordenando la ecuación (Ec. 9) se tiene:
� �tOO
CaK ifl �
��
][][* 22*
(Ec. 10)
De la ecuación (E. 10) se puede calcular el valor de aKl , o bien entregar el valor de
**CaKl , que representa la máxima velocidad volumétrica de transferencia de oxígeno
posible en un sistema dado. [29]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-70
Este método tiene la ventaja de no necesitar ningún aparato analítico especial y es
un experimento simple de realizar. Sus mayores objeciones están en el hecho de no utilizar
caldo de cultivos ni células y basarse en un modelo químico simple que no garantiza
representar adecuadamente la realidad de una fermentación.[29] Pese a ello, este método es
aún utilizado, en especial para cuantificar el efecto de cambios en el diseño del equipo o en
las condiciones de operación, más que para obtener valores de aKl[29]; sin embargo, el
tiempo requerido para cada determinación, usualmente de varias horas de acuerdo con las
velocidades de aireación y de agitación, dificultan su aplicación a escala industrial. [17]
II.3.2.3 Escalado según el coeficiente de transferencia de oxígeno mediante el método
dinámico de Humphrey
En el método dinámico se utiliza la actividad respiratoria de un cultivo en
crecimiento para disminuír el contenido de oxígeno del medio antes de reiniciar la
aireación. La figura II.-17 ilustra esquemáticamente este procedimiento. [17]
La concentración de oxígeno en el fermentador antes del punto A es estable. El
suministro de aire se suspende repentinamente en el punto A, entonces el valor del
coeficiente de transferencia de oxígeno, aKl , es igual a cero y la pendiente de la línea AB
es una medida de la velocidad de respiración del cultivo: [17]
� � xOdt
dCL *2��� (Ec, 13)
La aireación se reinicia en el punto B y la concentración de oxígeno disuelto
aumenta hasta alcanzar el valor inicial. El incremento observado de la concentración de
oxígeno disuelto en el período BC es la diferencia entre la transferencia de oxígeno hacia la
solución y la demanda de oxígeno por la respiración del cultivo. [17]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-71
Figura II.-17: Representación esquemática de la determinación del coeficiente de transferencia de
oxígeno por el método de desgasificación dinámica. [17]
� � � � xOCCaKdt
dCLL
L ** 2* ���� (Ec. 14)
Donde, �(O2): velocidad específica de respiración (g O2/g células*h); x:
concentración de células (g células seca/l); CL: Concentración de oxígeno disuelto en el
fermentador. Esta ecuación también se puede expresar como: [17]
� � ��
��� �� xO
dtdC
aKCC L
LL **1
2* � (Ec. 15)
La representación gráfica de esta última ecuación (figura II.-18), con CL en el eje de
las ordenadas y � � xOdt
dCL *2� en las abcisas, es una línea recta cuya pendiente es -1/KLa.
La recta se construye con los valores a las tangentes a la curva BC de la figura II.-17
correspondientes a diferentes valores de CL. [17]
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO II
II.-72
Figura II.-18: Representación esquemática de la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno,
KLa, por el método dinámico de Humphrey. [17]
El flujo de aire se debe reponer antes que el valor de Cl alcance la llamada
concentración crítica de oxígeno, valor bajo el cual la velocidad de metabolismo se hace
dependiente de Cl , existiendo el peligro de ocasionar daños irreversibles en el sistema
respiratorio de las células. Este valor crítico depende de cada sistema en particular, pero
como indicación general es recomendable no operar por debajo del 10% de saturación.[28]
Entre las ventajas que presenta el método se encuentran:
La determinación se realiza IN SITU.
Es un método muy rápido
Solo requiere de un electrodo que mida oxígeno disuelto.
Puede calcularse la concentración en la interfase gas-líquido, C*.
Entre las limitaciones también se pueden mencionar:
Se requiere un electrodo de respuesta rápida.
El coeficiente de transferencia de oxígeno, aKl que se calcula es puntual.
Se producen errores debidos al tiempo de respuesta del electrodo.
CAPÍTULO III METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
III.1 Fase experimental.
III.1.1 Montaje de la fermentación.
Materiales:
Columnas de vidrio de 300 ml cilíndricas, con 5 cm de diámetro interno y
40 cm de altura.
Columnas de vidrio de 1 l y 2 l de capacidad con o sin dos orificios
laterales, con 9,54 cm de diámetro interno y 46 cm de altura.
Compresor de aire con control de presión, GENERAL ELECTRIC, con
máximo 30 psi de presión, de 1/6 Hp y 60 Hz.
Mangueras de diferentes diámetros.
Columnas de vidrio de 5,41 cm de diámetro interno y 20 cm de altura para
empacar con sílica-gel y soda lime.
Sílica gel con indicador de humedad MERCK.
Soda lime granular con indicador RIEDEL DE HAËN AG SEELZE-
HANNOVER
Columna de vidrio empacada con algodón.
Algodón
Material cerámico poroso (frita) utilizado como burbujeador
Baño de María MEMMERT.
Autoclave HIRAYAMA MFG CORP.
Vasos de precipitados esterilizados.
Fiolas esterilizadas.
Balanza analítica.
Suero de leche pasteurizado con composición igual a la tabla II.-6.
Glucosa anhidra para fines bioquímicos MERCK
Lactosa monohidratada para fines bioquímicos MERCK
Centrífuga ALC 4233 ECT.
Metabisulfito de sodio para análisis químicos QUIMICAS RB, C.A.
Inóculo de Klebsiella Oxytoca proveniente del Centro Venezolano de
colecciones de microorganismos, en Caracas Venezuela.
Método:
El suero proveniente de “Lácteos Santa Rosa” se centrifugó para eliminar las
grasas y proteínas insolubles, luego se filtró, se tomaron muestras para conocer el
contenido de lactosa y glucosa y se almacenó bajo congelación.
Se realizaron varias centrifugaciones a diferentes revoluciones para conocer la
velocidad apropiada de eliminación de grasas y proteínas y, de esta manera se obtuvo
que la velocidad adecuada fuera de 3000 rpm durante 25 minutos (Figura III.-1) para
eliminar todas las grasas y proteínas.
Figura III.-1: Centrífuga utilizada para eliminar las grasas y proteínas poco solubles en el suero
Luego, conociendo el contenido de lactosa y glucosa en el suero, éste es
enriquecido con la lactosa necesaria hasta obtener 50 g/L de lactosa aproximadamente y
se volvió a medir el contenido de lactosa. También se enriqueció con glucosa hasta
obtener una composición de 50 g/L de este azúcar. La razón por la cual se agregaron
ambos azúcares es porque el micro-organismo utilizado (Klebsiella Oxytoca), tarda más
en alimentarse y adaptarse a la lactosa, ya que debe hidrolizarla antes de consumirla; así
que la glucosa agregada es un nutriente durante la hidrólisis de la lactosa.
El suero se pasteurizó a 85ºC durante 15 minutos en el baño de María (Figura
III.-2). No se esterilizó en el autoclave, debido a que los azúcares utilizados son
degradados a temperaturas superiores a 90ºC; sin embargo la pasteurización elimina los
microbios presentes en el suero.
Figura III.-2: Baño de María utilizado.
Previamente, con 24 horas de anticipación, se preparó el pre-inóculo, para esto
se tomaba un 10% de volumen de suero con el que iba a trabajar, ya pasteurizado, en
una fiola con agitador magnético y tapón de algodón y papel de aluminio esterilizados.
Se flameó la boca de la fiola esterilizada y la boca del recipiente que contenía el suero y
se realizaba el trasvase. Se volvía a flamear las bocas y se tapaban los recipientes. Una
vez trasvasado el suero se realizaba la siembra del microorganismo. Se tomaba la cuña
de crecimiento (Figura III.-3) y un asa de platino y el suero de la fiola cerca del
mechero, se calentaba el asa hasta el rojo vivo y se destapaban los recipientes, el asa se
enfriaba en el medio de crecimiento de la cepa sin tocarla y luego se arrastraba un poco
de ella con el asa para luego sumergirla en el suero. Este procedimiento se realizó tres
veces consecutivas y luego se flamearon las bocas de los recipientes para ser tapados.
La fiola con el suero se colocaba durante 24 horas en el baño de María agitado a la
temperatura de crecimiento óptimo de la cepa (35ºC±3ºC).
Figura III.-3: Cuña de crecimiento de Klebsiella oxytoca
Una vez que el pre-inóculo se encontraba en el baño se disponía a lavar las
mangueras, uniones metálicas y columnas de vidrio a usar para luego someterlos a
esterilización en el autoclave (Figura III.-4) a 120ºC de temperatura y 1.5 bar de presión
durante 15 minutos, todo esto envuelto en papel de periódico. Después de transcurrido
este tiempo se dejaba enfriar los equipos dentro del autoclave hasta el momento del
montaje del experimento. También se colocaba la sílica gel, la soda lime y el algodón a
utilizar en una estufa (Figura III.-5) a 105ºC durante toda la noche para que estos
reactivos eliminaran la humedad que habían adsorbido por el contacto con el aire
atmosférico.
Figura III.-4: Autoclave utilizado para la esterilización de los equipos.
Figura III.-5: Estufa utilizada para regenerar la sílica gel y secar el material de vidrio.
Habiendo transcurrido 24 horas de crecimiento microbiano se colocaba la
columna de vidrio sobre el soporte metálico (Figura III.-6) y se conectaban todas las
mangueras y uniones metálicas necesarias, también se colocaba otra columna de vidrio
empacada con sílica gel y de soda lime para evitar el paso de la humedad ambiental al
sistema y luego, otra columna de algodón que evitaba el paso de partículas sólidas.
Después, se conectó todo el sistema de columnas entre sí a través de mangueras
esterilizadas de la siguiente manera: el compresor estaba unido a la columna de sílica
gel y soda lime (Figura III.-7) y ésta, a su vez estaba conectada a la columna de
algodón para luego llegar al bio-reactor (columna de vidrio que contenía el suero). Una
manguera adicional fue colocada alrededor de la última columna y esta transportaba
agua de calefacción que se encontraba a 39 ±3ºC para mantener el sistema fermentativo
a 35ºC (Figura III.-8).
Figura III.-6: Columnas de vidrio de distintos volúmenes.
Figura III.-7: Columnas de vidrio con sílica gel y soda lime
Figura III.-8: Sistema de fermentación
Finalmente, se agregó el suero pasteurizado a la columna de fermentación junto
al pre-inóculo procurando trabajar de manera rápida y con el equipo necesario para
evitar contaminación de la muestra y se puso en marcha el compresor (Figura III.-9)
controlando la presión de salida del aire para obtener una aireación baja, media o alta y
así comenzar el proceso fermentativo y hacer las mediciones correspondientes 24 horas
más tarde.
Figura III.-9: Compresor utilizado.
III.1.2 Determinación del contenido de lactosa a través del método
colorimétrico
El ácido pícrico es reducido por los azúcares reductores, en medio alcalino, a
ácido picrámico de color rojo, siendo la intensidad del color desarrollado directamente
proporcional a la concentración del glúcido en solución. Midiendo fotométricamente la
densidad óptica de la solución reducida a 520 nm y comparándola con soluciones
patrones del mismo azúcar, tratadas en condiciones similares, es posible determinar su
concentración.[53]
Materiales:
Espectrofotómetro METROLAB
Balones aforados de 100 ml.
Pipetas de 2 ml.
Pipetas de 10 ml:
Papel de filtro
Pro-pipetas
Baño de María MERMMET
Reactivos:
Ácido pícrico para análisis químico MERCK
Carbonato de sodio para análisis químico REAGENTS.
Lactosa monohidratada para análisis químico MERCK.
Agua destilada.
Método:
Se preparó 500 ml una solución de saturada de ácido pícrico, además se
preparó 200 ml de una solución de carbonato de sodio al 22% p/p, y 100
ml de una solución patrón de lactosa a una concentración de 4 g/l.
Se transfirió 2 ml de la muestra previamente homogeneizada a un balón
aforado de 100 ml, en el que se encontraba solución saturada de ácido
pícrico hasta la mitad y se llevó al aforo con la misma solución. Se
mezcló y filtró a través del papel de filtro.
Se rotularon dos balones aforados de 100 ml, como muestra y patrón.
En el balón rotulado como “muestra” se colocaron 10 ml del filtrado
obtenido, 10 ml, de agua destilada, 10 ml, de solución saturada de ácido
pícrico y 10 ml, de solución de carbonato de sodio.
En el balón rotulado como “patrón”, se colocaron 10 ml, de solución
patrón de lactosa, 10 ml, de agua destilada. 10 ml, de solución saturada
de ácido pícrico y 10 ml, de solución de carbonato de sodio.
Se mezclaron simultáneamente ambos balones y fueron colocados en
baño de María destapados por 20 minutos a 70ºC. Se enfriaron ambas
soluciones, se diluyeron hasta el aforo con agua destilada y se
homogenizó cada balón.
Se midió la densidad óptica de ambas soluciones en un
espectrofotómetro, a una longitud de onda de 520 nm (Figura III.-10).
Figura III.-10: Espectrofotómetro utilizado para medir densidad óptica en soluciones
Se calculó la concentración de lactosa en la muestra aplicando la
siguiente relación:
5*%p
m
A
ALactosa �
Donde:
Am: Absorbancia de la muestra.
Ap: Absorbancia de la solución patrón.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-1
III.1.3 Determinación del contenido de glucosa a través del método enzimático o de
Trinder.
Las determinaciones de glucosa han probado su utilidad en el diagnóstico y manejo de
la Diabetes Mellitus. Las pruebas de tolerancia a la glucosa son útiles en el diagnóstico de
diabetes, hipoglucemia y enfermedades de los sistemas renal, pituitario y tiroidal. [54]
Los métodos químicos usados anteriormente en la cuantificación de glucosa carecen
de especificidad y resultaron con intervalos más amplios que los de los valores normales.[54]
Trinder introdujo un procedimiento totalmente enzimático que mejoró en gran
cantidad la especificidad y ofrece un fácil manejo. Este procedimiento está basado en un
método modificado de Trinder en el cual el p-hidroxibencensulfonato reemplaza al fenol en la
fórmula brindando un reactivo menos corrosivo y más seguro. [54]
La glucosa oxidasa convierte la glucosa en peróxido de hidrógeno y ácido D-
glucónico. La peroxidasa cataliza la oxidación del peróxido de hidrógeno a 4-aminofenazona
con la subsecuente unión con el p-hidroxibencensulfonato. El producto final es un colorante
hidroquinoleína el cual absorbe a 500 nm. La intensidad del color es directamente
proporcional a la concentración de la glucosa. [54]
Materiales:
Equipo Reactivo Cat. No. 2800 (Kit de glucosa, Figura III.-11)
Espectrofotómetro METROLAB.
Tubos de ensayo
Micropipeta de 0.01ml.
Pipeta de 1 ml
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-2
Baño de María MEMMERT.
Agua destilada
Figura III.-11: Kit de glucosa
Reactivos:
Reactivo de glucosa reconstituido: para ello se añade el contenido total del
frasco a la cantidad de agua destilada indicada en la etiqueta. Mezcle
suavemente para disolver. No se ingiera. La toxicidad no ha sido establecida.
Una vez reconstituido, el reactivo es estable por 30 días a 2-8ºC. Protéjalo de la
luz,
Reactivo de calibración o patrón (viene en el kit).
Método:
Se colocó 1.0 ml de reactivo de glucosa en tubos etiquetados como blanco y
muestra.
Se precalentó el reactivo de glucosa por cinco minutos a 37ºC.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-3
Se colocó 0.01 ml de la muestra dentro del tubo etiquetado como muestra y
mezcle bien.
Se incubó los tubos a 37ºC por 10 minutos.
Se colocó cero de absorbancia en el espectrofotómetro a 500 nm y se ajustó a
100 de absorbancia con la solución patrón.
Se leyó y registró la absorbancia para las muestras.
La linearidad se extiende hasta 500 mg/L. Los especímenes que excedan de
este valor deberán ser diluidos con agua destilada y reevaluadas. Multiplique el
resultado por el factor de dilución para obtener el resultado final.
Para muestras sin diluir, la concentración se calculó como:
pp
m CA
AdlmgaGlu *)/(cos �
Donde:
Am: Absorbancia de la muestra.
Ap: Absorbancia de la solución patrón.
CP: Concentración de la solución patrón, en mg/dl
Las muestras que se obtuvieron en esta fermentación, fueron diluídas con 5 mL
de agua destilada, por lo tanto, la concentración de glucosa se calcula como:
274.0*)/(cosp
m
A
AdlmgaGlu �
Donde:
Am: Absorbancia de la muestra.
Ap: Absorbancia de la solución patrón.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-4
III.1.4 Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno mediante el
método estático.
Materiales
Electrodo que mide oxígeno disuelto tipo Oxi 197i
Registrador de oxígeno disuelto tipo CellOx 325
Planchas de calentamiento CORNING.
Cronómetro digital.
Mangueras de diámetro fino.
Sistema para la fermentación.
Método:
Las primeras corridas se realizaron con agua y luego con el suero para corroborar la
suposición que las propiedades del suero son similares a las del agua; sin embargo, a cada
fluido se le realizó el mismo tratamiento.
Se tomó el volumen de líquido a estudiar y se colocó en una plancha de calentamiento
(Figura III.-12) hasta lograr la ebullición y desoxigenación del líquido. Luego, se trasvasó el
líquido ya enfriado hasta la temperatura de operación (35� 3ºC) a través de una manguera de
diámetro fino y, por último, se sumergió el electrodo que mide oxígeno disuelto unido al
registrador (Figura III.-20), se puso en marcha el compresor a un caudal de aire fijo de
acuerdo al volumen estudiado y la aireación necesitada (Tabla III.-1) y se registró cada
minuto la concentración de oxígeno disuelto en el fluido hasta que las lecturas se hicieran
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-5
constantes. En ese momento se detuvo el cronómetro y se apagó el compresor de manera
simultánea.
Tabla III.-1: Flujo volumétrico de aire utilizado en función del volumen de medio de cultivo estudiado
Volumen del medio de cultivo V.V.M (ml/(ml*min)) 300 mL 1 L 2 L
0,3 96 minml 306 min
ml 553 minml
0,5 159 minml 924 min
ml 1048 minml
1 312 minml 553 min
ml 2160 minml
Figura III.-20: Electrodo que mide oxígeno disuelto Oxi 197i y registrador de oxígeno disuelto CellOx 325.
Cuando se trabajó con el suero era necesario hacer una corrección de la lectura de
oxígeno disuelto debido a la salinidad que presentaba este medio, por lo cual se realizó una
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-6
curva de calibración de conductancia en función de la concentración de sal para luego leer la
conductancia de la muestra problema (suero) y así conocer su salinidad.
Con esta serie de datos se realizaron las gráficas concentración de oxígeno disuelto en
función del tiempo de oxigenación, observadas en el capítulo IV (Gráficos IV.-1, IV.-2 y IV.-
3) y en el apéndice B (Gráficos B.-1 hasta B.-9) y se les añadió una línea de tendencia
polinómica de segundo grado con ecuación conocida, la cual corresponde a la ecuación (Ec.
11) mostrada en el capítulo II de este trabajo.
Para conocer el coeficiente global de transferencia de oxígeno ( aK L ) a través de este
método, se derivó la ecuación obtenida como línea de tendencia, obteniéndose una recta según
la ecuación (Ec. 12) del capítulo II, cuya pendiente es - aK L .
III.2.5 Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno mediante el
método de Winkler.
Se desarrolló este método para conocer oxígeno disuelto en aguas blancas y residuales;
sin embargo, también se aplica para conocer el oxígeno disuelto cuando se sustituye el medio
de cultivo por agua, en sistemas fermentativos. A continuación se explica detalladamente el
procedimiento del método de Winkler.
Materiales:
Bureta de 50 ml.
Soporte universal.
Fiolas yodométricas.
Cronómetro digital.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-7
Planchas de calentamiento CORNING.
Pipetas de 10 ml, graduadas en divisiones de 0.1 ml.
Pipetas de 2 ml.
Pipeta volumétrica de 50 ml.
Sistema para la fermentación.
Reactivos:
Solución alcalina de yoduro de potasio KI (KI para análisis LABORATORY
REAGENTS): se disolvió 500 g de hidróxido de sodio NaOH o 700 g de
hidróxido de potasio KOH y 135 g de yoduro de sodio NaI o 150 g de yoduro de
potasio KI en agua destilada y se diluyó a 1 l. La solución final no debe presentar
coloración con almidón cuando se diluye y acidifica. Se almacenó en un
recipiente ámbar y tapado.
Solución de sulfato manganoso MnSO4: se disolvió 364 g de sulfato manganoso
hidratado MnSO4.H2O en agua destilada. Se filtró y diluyó a 1 l. No deben
liberarse más que trazas de yodo cuando a esta solución se le añade una solución
acidificada de yoduro de potasio, KI.
Solución de tiosulfato de sodio Na2S2O3 (Na2S2O3 para análisis J.T. BAKER)
0.025 N: se disolvió 6.21 g de tiosulfato de sodio pentahidratado Na2S2O3.5H2O
y 200 mg de carbonato de sodio en agua destilada recientemente hervida y fría y
diluír a 1 l. Se preservó esta solución agregando 5 ml de cloroformo CHCl3. Esta
solución no debe prepararse antes de 12 a 15 horas antes de su uso para evitar su
degradación.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-8
Cristales de dicromato de potasio K2Cr2O7 (K2Cr2O7 para análisis
DIAGNOSTICOS LABORATORIO DE BIOQUÍMICA) para estandarizar la
solución de tiosulfato de sodio: Se pesó alrededor de 210 mg de dicromato de
potasio estándar primario, que previamente se redujo a polvo y se secó a 120ºC
durante 4 horas y disolver en 100 ml de agua en una fiola yodométrica de 500 ml
con tapón de vidrio. Se agitó por rotación hasta disolver el sólido, se retiró el
tapón y se agregó rápidamente 3 g de yoduro de potasio KI, 2 g de bicarbonato
de sodio NaHCO3 y 5 ml de ácido clorhídrico. Se insertó el tapón suavemente en
la fiola, se agitó por rotación para mezclar y se dejó reposar en la oscuridad
durante 10 minutos. Se enjuagó el tapón y las paredes internas de la fiola con
agua destilada y se tituló el yodo liberado con solución de tiosulfato de sodio
hasta que la solución tome color verde amarillento. Se agregó 3 ml de almidón y
se continuó la titulación hasta que desapareció el color azul. Se calculó la
normalidad como sigue:
TiosulfatoOCrKTiosulfato VOCrmolK
OCreqK
OCrgK
OCrmolKmN /
16*
4.2941*
722
722
722
722722 �
�
���
��
Solución indicadora de almidón: se mezcló 6 g de almidón soluble con un poco
de agua destilada en un mortero hasta que se formó una pasta. Se diluyó esta
pasta en 1 l de agua hirviendo. Se dejó enfriar. Luego, se agregó 20 g de
hidróxido de potasio y se mezcló. Se dejó en reposo por 2 horas. Se agregó 6 ml
de ácido acético glacial. Se mezcló completamente. Se añadió ácido clorhídrico
concentrado hasta ajustar el pH de la solución a 4. Por último, se almacenó la
solución en una botella con tapa de vidrio. Esta solución es estable por 1 año.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-9
Ácido sulfúrico concentrado H2SO4.
Método:
Este método mide el oxígeno disuelto en agua, la cual fue la sustitución del medio de
cultivo; sin embargo no es aplicable en muestras de suero ya que la presencia de una gran
variedad de iones en el suero produce una gran liberación de yodo, lo cual conduce a
resultados de oxígeno disuelto muy por encima del valor real leído con un electrodo que mide
oxígeno disuelto.
Para lograr este montaje se tomó una cantidad de agua y se colocó a ebullir en una
plancha de calentamiento (Figura III.-12) para eliminar el oxígeno disuelto. Una vez enfriada
esta agua hasta una temperatura de 35ºC se trasvasaba por medio de una manguera muy fina
al fermentador y se colocó en funcionamiento el compresor al mismo tiempo que se puso en
marcha el cronómetro (Figura III.-13).
Figura III.-12: Plancha de calentamiento
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-10
Figura III.-13: Cronómetro digital
Una vez que el electrodo que mide oxígeno disuelto mantenía una lectura constante se
realizaban las siguientes acciones simultáneamente: se detenía el cronómetro y se apagaba el
compresor para detener la aireación. Inmediatamente, se tomaba una muestra de 200 ml la
cual se trasvasaba por medio de una manguera fina hasta una fiola yodométrica. Después, se
le adicionaron 2 ml de solución de sulfato manganoso seguido de 2 ml de solución alcalina de
yoduro por debajo de la superficie del líquido y se colocó el tapón a la fiola.
Luego de tapada la fiola se mezclaba la muestra invirtiendo el recipiente varias veces.
Se dejaba reposar para que el flóculo precipitara y se repetía el mezclado (Figura III.-14). En
este momento se dice que el oxígeno se encuentra fijado en forma del precipitado marrón,
entonces se tomaban 4 muestras de 50 ml cada una en 4 fiolas yodométricas tapadas (Figura
III.-15). Se dejaba en reposo las 4 muestras nuevamente hasta observar nuevamente el flóculo
en el fondo de la fiola, en ese momento se tomaba 1a fiola y se le agregaba 2 ml de ácido
sulfúrico concentrado dejando que el mismo cayera por el cuello y la pared de la fiola y se
tapaba la misma con firmeza. La temperatura de la muestra no debería superar los 30ºC para
evitar pérdidas de yodo por volatilización; sin embargo, como nuestro sistema debía
mantenerse a 35ºC se debía sostener firmemente el tapón para evitar que el gas de yodo
pudiese levantarlo.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-11
Figura III.-14: Fijación del oxígeno disuelto en el agua
Figura III.-15: Separación de la muestra en cuatro muestras de menor volumen
Se mezclaba nuevamente por inversión, hasta que el precipitado se disolviera por
completo (Figura III.-16). Finalmente, se comenzaba la titulación de la muestra con solución
de tiosulfato de sodio hasta la aparición de un color amarillo claro (Figura III.-17). Se
agregaban 1 o 2 ml de solución indicadora de almidón (Figura III.-18) y se continuaba la
titulación hasta la desaparición del color azul (Figura III.-19).
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-12
Figura III.-16: Disolución del precipitado formado usando ácido sulfúrico concentrado
Figura III.-17: Titulación con tiosulfato de sodio hasta color amarillo claro
Figura III.-18: Cambio de color al agregar el almidón como indicador
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-13
Figura III.-19: Punto final de la titulación yodométrica. Desaparición del color azul.
Se registraba el volumen del tiosulfato de sodio gastado en la titulación y su
normalidad por la estandarización de la misma solución. Se obtenía el valor del coeficiente de
transferencia de oxígeno según la ecuación Ec. 10 mostrada en el capítulo II de este proyecto:
� �tOO
CaK ifl �
��
*2][][
* 22*
Donde KLa: coeficiente volumétrico de transferencia de masa (1/s); C*: concentración
de oxígeno en la superficie de separación gas-líquido (g/l); [O2]i: Concentración de oxígeno
inicial (g/l); [O2]f: Concentración de oxígeno final (g/l); y �t: intervalo de tiempo (s).
Así, se obtuvo el valor **CaKl , que representa la máxima velocidad volumétrica de
transferencia de oxígeno posible en un sistema dado.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-14
III.2.6 Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno mediante el método
dinámico de Humphrey.
Materiales:
Electrodo que mide oxígeno disuelto tipo Oxi 197i.
Registrador de oxígeno disuelto tipo CellOx 325.
Cronómetro.
Sistema de fermentación.
Método:
Al sistema fermentativo se le conectó termopares unidos a termocuplas (Figura III.-20)
previamente esterilizados con una solución de metabisulfito de sodio de 0.5 g/l. Una vez
realizado lo anterior, se trasvasaba el medio de cultivo pasteurizado (suero de leche) y se
inoculaba con el pre-inóculo preparado con 24 horas de anticipación.
Figura III.-20: Termocupla y termopares utilizados
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-15
Se colocó en funcionamiento el compresor a una presión fija (Tabla III.-1) durante 24
horas más y una vez culminado ese tiempo, se sumergió el electrodo en el seno del líquido y
se registraron los valores de oxígeno disuelto durante 10 minutos. Luego de este tiempo se
detuvo el funcionamiento del compresor y se registraron los valores de concentración de
oxígeno disuelto hasta que se llegó a concentraciones de 1 ppm. En este punto se reinició el
suministro de aire y se siguió anotando valores de oxígeno disuelto hasta los 70 minutos
(Figura III.-21).
Figura III.-21: Sistema fermentativo para el método dinámico de Humphrey
Con los datos recopilados se construyeron los gráficos presentados en el apéndice B
(Gráficos B.-10 hasta B.-18) y se le añadieron a cada tramo de la gráfica su respectiva línea de
tendencia. Para calcular mediante este método el coeficiente global de transferencia de
oxígeno, se tomó el tramo de reaireación como un sistema individual y a esta curva se le
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPITULO III
III.-16
desarrolló su línea de tendencia polinomial de segundo grado que corresponde a la ecuación
(Ec.14) del capítulo II y se derivó hasta obtener una recta cuya pendiente es -1/ aK L , que
corresponde a la ecuación (Ec.15).
CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIONES
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO IV
IV.- 1
RESULTADOS OBTENIDOS Y DISCUSIONES
Al revisar los resultados obtenidos a través del método de Winkler, se debe acotar
que en él, no se calcula el coeficiente global de transferencia de masa aK L , sino **CaK L ,
que representa la máxima velocidad volumétrica de transferencia de oxígeno posible en un
sistema dado y es directamente proporcional a la concentración de oxígeno en la superficie
de separación gas-líquido. Según se observa en la tabla IV.-1, para el volumen menor de
medio de cultivo (300 mL), los valores obtenidos de **CaK L son los más altos,
obteniéndose 0,2± 0,1 ppm/min para todas las aireaciones y, para los volúmenes mayores
este valor disminuyó a la mitad; este comportamiento es lógico debido a que a mayor
volumen de medio de cultivo, mayor es la cantidad de aire necesario para saturar el medio
de cultivo y más lenta es la transferencia de oxígeno desde el estado gaseoso hacia el seno
del líquido.
Tabla IV.-1: Determinación de la velocidad máxima de transferencia de oxígeno tomando agua como medio de cultivo a
diferentes aireaciones y diferentes volúmenes según el método de Winkler.
Aireación V=300 mL V=1 L V=2 L Baja (0,2±0,1) ppm/min (0,1±0,1) ppm/min (0,1±0,1) ppm/min Media (0,2±0,1) ppm/min (0,1±0,1) ppm/min (0,1±0,1) ppm/min Alta (0,2±0,1) ppm/min (0,1±0,1) ppm/min (0,0±0,1) ppm/min
Los resultados obtenidos según el método estático se muestran en la tabla IV.-2 y
se observa que a medida que aumenta la aireación en el medio de cultivo, mayor es la
transferencia del oxígeno para un volumen fijo y siendo razonable debido que mientras
mayor sea la aireación, más burbujas son producidas y existe mayor área de transferencia
de oxígeno; por lo tanto, existe más oxígeno disuelto en el medio.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO IV
IV.- 2
Tabla IV.-2: Coeficiente de transferencia de oxígeno medidos en agua y suero oxigenados como medio de cultivo a
diferentes aireaciones y diferentes volúmenes.
PARA AGUA PARA SUERO Aireación V=300 mL V=1 L V=2 L V=300 mL V=1 L V=2 L
Baja 0,02±0,02 1min � 0,01±0,00 1min � 0,00±0,00 1min � 0,14 1min � 0,10 1min � 0,01 1min �
Media 0,04±0,02 1min � 0,04±0,00 1min � 0,03±0,00 1min � 0,16 1min � 0,14 1min � 0,04 1min �
Alta 0,03±0,03 1min � 0,15±0,06 1min � 0,03±0,00 1min � 0,22 1/min 0,16 1min � 0,07 1min �
También se observa que a medida que aumenta el volumen del medio de cultivo,
disminuye la velocidad de transferencia de oxígeno al medio. Esto es, al igual que para el
método anterior, al existir mayor volumen de medio, se necesita mayor cantidad de aire
para lograr saturar el medio, así que para lograr el mismo coeficiente de transferencia de
oxígeno en dos diferentes volúmenes, se hace necesario aumentar la aireación para
mayores volúmenes.
El método estático se realizó por triplicado al utilizar agua como medio de cultivo
y una vez cuando se utilizó suero como medio de cultivo, esto es debido a que este medio
contiene iones sulfito disueltos y este ión es un envenenador del electrodo que mide
oxígeno disuelto utilizado, y es la razón por la cual los resultado con agua se presentan
junto a la desviación estándar normal y en el suero no.
También se observa que la transferencia de oxígeno es mucho mayor para el suero
que para el agua puesto que el coeficiente de transferencia de oxígeno es mayor en el
suero para cualquier volumen de medio de cultivo y cualquier aireación presentada en la
tabla IV.-2; por lo tanto, la suposición previa que se hace con el método de Winkler que el
agua y el suero se comportan de manera similar en la transferencia de oxígeno, resulta
incierta. Esta afirmación es demostrada a través de los gráficos IV.-1, IV.-2 y IV.-3 ya
que las tres líneas que se encuentran en la parte superior de los gráficos representan la
transferencia de oxígeno hacia el suero.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO IV
IV.- 3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 2 4 6 8 10Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
V=300 mL y aireación baja para agua V=300 mL y aireación media para agua
V=300 mL y aireación alta para agua V=300 mL y aireación baja para suero
V=300 mL y aireación media para suero V=300 mL y aireación alta para suero
Gráfico IV.-1: Representación gráfica de la transferencia de oxígeno medidos en agua y suero oxigenados
como medio de cultivo y con un volumen de 300 mL, a diferentes aireaciones.
0
1
2
3
4
5
6
7
0 2 4 6 8 10
Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (
ppm
)
V= 1 L y aireación baja para agua V= 1 L y aireación media para agua
V= 1 L y aireación alta para agua V= 1 L y aireación baja para suero
V= 1 L y aireación media para suero V= 1 L y aireación alta para suero
Gráfico IV.-2: Representación gráfica de la transferencia de oxígeno medidos en agua y suero oxigenados
como medio de cultivo y con un volumen de 1 L, a diferentes aireaciones.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO IV
IV.- 4
0
1
2
3
4
5
6
7
0 2 4 6 8 10Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (
ppm
)
V= 2 L y aireación baja para agua V= 2 L y aireación media para agua
V= 2 L y aireación alta para agua V= 2 L y aireación baja para suero
V= 2 L y aireación media para suero V= 2 L y aireación alta para suero
Gráfico IV.-3: Representación gráfica de la transferencia de oxígeno medidos en agua y suero oxigenados
como medio de cultivo y con un volumen de 2 L, a diferentes aireaciones.
Luego, se realizó una comparación entre las concentraciones de oxígeno disuelto
leídas mediante el electrodo que mide oxígeno disuelto Oxi 197i y la titulación
yodométrica del método de Winkler, con el fin de conocer la precisión de ambos métodos
debido a que en el método de Winkler se presentan errores por lectura de volumen,
manipulación de la muestra y trasvase de la misma. Estos errores traen consigo resultados
superiores a los obtenidos con el electrodo puesto a que, durante el método de Winkler, la
muestra ya trasvasada, se agita y tiene contacto con una columna de aire que se encuentra
por encima de la superficie del líquido en la fiola yodométrica, reaccionando los reactivos
con este oxígeno gaseoso, como se muestra en las tablas IV.-3, IV.-4 y IV.-5.
Esta comparación entre procedimientos permite demostrar que el método cuyos
resultados son más fiables entre los dos comparados, es el método estático debido a que su
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO IV
IV.- 5
apreciación es de 0,01 ppm en comparación con la apreciación de 0,1 ppm para el método
de Winkler.
Tabla IV.-3: Comparación de la concentración de oxígeno disuelto medidos en agua como medio de cultivo
según los métodos estático y de Winkler y con un volumen de 300 mL, a diferentes aireaciones.
Concentración de oxígeno disuelto en agua (ppm) Aireación para el método de Winkler Para el método estático % error Baja 5,4±0,1 4,96±0,01 8,87 Media 5,5±0,1 5,12±0,01 7,03 Alta 5,8±0,1 5,19±0,01 11,75
Tabla IV.-4: Comparación de la concentración de oxígeno disuelto medidos en agua como medio de cultivo
según los métodos estático y de Winkler y con un volumen de 1 L, a diferentes aireaciones.
Concentración de oxígeno disuelto en agua (ppm) Aireación para el método de Winkler para el método estático % error Baja 5,8±0,1 5,02±0,01 15,14 Media 6,0±0,1 5,20±0,01 14,81 Alta 6,2±0,1 5,28±0,01 17,61
Tabla IV.-5: Comparación de la concentración de oxígeno disuelto medidos en agua como medio de cultivo
según los métodos estático y de Winkler y con un volumen de 2 L, a diferentes aireaciones.
Concentración de oxígeno disuelto en agua (ppm) Aireación para el método de Winkler para el método estático % error Baja 5,5±0,1 5,31±0,01 3,01 Media 5,7±0,1 5,46±0,01 4,76 Alta 5,9±0,1 5,52±0,01 5,98
Se observa es que los mayores errores se presentan para volúmenes de 1 L; esto
posiblemente se debe a que a este volumen fueron los primeros experimentos realizados,
lo que conlleva a errores de trasvase y de aprendizaje del método particular. El resto de las
desviaciones se encuentran entre 3.01% y 11.75%.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO IV
IV.- 6
Al igual que en el método estático, en el método dinámico de Humphrey, se
distingue que a medida que aumenta la aireación para un volumen determinado también
aumenta el coeficiente de transferencia de oxígeno como se muestra en las tablas IV.-6,
IV.-7 y IV.-8, excepto para el volumen de 300 mL. Esto se debe a que para todos los
volúmenes se tomó un tiempo fijo de fermentación de 24 horas y para el volumen de 300
mL este tiempo era demasiado prolongado para que la bacteria se mantuviese con vida; es
decir, los nutrientes se agotaron con mayor rapidez produciendo que la bacteria muriera
progresivamente e incluso en el momento de la medición, una parte de la colonia del
microorganismo se encontraba en estado de inanición, lo cual puede ser constatado a
través de los resultados obtenidos de concentración de glucosa y lactosa al inicio y final
del proceso fermentativo.
Tabla IV.-6: Coeficiente de transferencia de oxígeno medido en suero oxigenados como medio de cultivo y
con un volumen de 300 mL, a diferentes aireaciones.
Concentraciones iniciales (%m/v)
Concentraciones finales (%m/v)
Aireación aK L (1/min) [Lactosa] [Glucosa] [Lactosa] [Glucosa] 0,3 V.V.M 8,77 5,336 5,795 0,1570 0,147 0,5 V.V.M 7,11 5,142 4,544 0,1484 0,117 1 V.V.M 2,04 5,100 5,366 0,1284 0,055
Tabla IV.-7: Coeficiente de transferencia de oxígeno medido en suero oxigenados como medio de cultivo y
con un volumen de 1 L, a diferentes aireaciones.
Concentraciones iniciales (%m/V)
Concentraciones finales (%m/v)
Aireación aK L (1/min) [Lactosa] [Glucosa] [Lactosa] [Glucosa] 0,3 V.V.M 61,27 5,040 5,096 3,113 4,274 0,5 V.V.M 71,43 4,829 5,119 1,984 3,818 1 V.V.M 73,15 4,942 5,014 1,822 1,343
Tabla IV.-8: Coeficiente de transferencia de oxígeno medido en suero oxigenados como medio de cultivo y
con un volumen de 2 L, a diferentes aireaciones.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO IV
IV.- 7
Concentraciones iniciales (%m/v)
Concentraciones finales (%m/v)
Aireación aK L (1/min) [Lactosa] [Glucosa] [Lactosa] [Glucosa] 0,3 V.V.M 28,70 5,060 5,526 2,032 4,242 0,5 V.V.M 47,30 5,020 5,288 2,646 4,037 1 V.V.M 49,16 4,942 5,357 2,383 3,950
También se debe explicar que, mientras mayor es la aireación, mayor es la rapidez
de crecimiento de la cepa en el sistema fermentativo así que más rápido consume los
nutrientes en solución como se observa en las tres tablas anteriores donde las
concentraciones menores de nutrientes en soluciones se observan en las experiencias con
mayor aireación.
Debido a lo anteriormente expuesto, se puede concluir que para el volumen de 300
mL no son representativos los resultados obtenidos ni de respiración de la cepa ni del
coeficiente de transferencia de oxígeno en el sistema de fermentación dado.
Una vez observados todos los resultados obtenidos para los tres métodos realizados
se pueden obtener una serie de conclusiones, lo primero es que el método más adecuado
para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno es el método dinámico
de Humphrey debido a su precisión, a su realización in situ y además, es el único método
que toma en cuenta la demanda de oxígeno del microorganismo (respiración) en el medio
de fermentación.
También es importante aclarar que no es cierta la suposición de que el suero se
comporta similar al agua en cuanto a la transferencia de oxígeno, ya que el suero
solubiliza mayor cantidad de oxígeno y lo hace más rápido que el agua como fue
observado en los coeficientes de transferencia de oxígeno para agua y suero en la
realización del método estático. La concentración de oxígeno disuelto en función del
tiempo forma parábolas en el caso del agua mientras que el suero forma curvas similares a
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO IV
IV.- 8
las logarítmicas, llegando más rápidamente a la saturación de oxígeno disuelto que el
agua.
Otro punto importante es que el escalado de la fermentación del 2,3-butanodiol a
través del coeficiente de transferencia de oxígeno constante no obtiene resultados
satisfactorios debido a que a medida que aumenta el volumen se debe ajustar la aireación
para lograr obtener el mismo coeficiente de transferencia de oxígeno; es decir, se necesita
una mayor aireación para conseguir el mismo Kla y para esta fermentación es necesario
mantener restringida la aireación para lograr la producción del 2,3-butanodiol.
CAPÍTULO V CONCLUSIONES
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO V
V.-1
CONCLUSIONES
El mejor método de medición del coeficiente de transferencia de oxígeno en sistemas
fermentativos es el método dinámico de Humphrey.
La suposición de que el agua y el suero se comportan de manera similar en cuanto a la
transferencia de oxígeno es falsa.
El 2,3-butanodiol obtenido de manera biológica (fermentación) es un proceso que se
puede escalar si se relaciona el coeficiente de transferencia de oxígeno y el volumen de
medio de cultivo; sin embargo al mantener constante el coeficiente de transferencia de
oxígeno este escalado no es factible.
A mayor aireación, mayor coeficiente de transferencia de oxígeno al medio de cultivo.
A medida que aumenta el volumen del medio de cultivo se necesita mayor aireación
para lograr mantener constante el coeficiente de transferencia de oxígeno.
CAPÍTULO VI RECOMENDACIONES
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO VI
VI.-1
RECOMENDACIONES
VI.-1 Para el método de Winkler:
Aún cuando se fija el oxígeno disuelto con el sulfato de manganeso es necesario
agitar por inversión con mucho cuidado ya que si existe una columna de aire muy
alta sobre el nivel del líquido, este aire puede reaccionar con el sulfato en exceso
produciendo errores.
El volumen de líquido que se fija (200 ml) se divide en cuatro volúmenes más
pequeños (de 50 ml cada uno) y esta manipulación produce errores.
El tiosulfato de sodio se degrada muy rápidamente (en cuatro días cambió de 0.0123
a 0.011665 N) por lo cual se hace necesario estandarizar la solución diariamente con
dicromato de potasio.
Para volúmenes de muestra mayores a 70 ml, se debe tener mayor cuidado luego de
agregarle el ácido sulfúrico puesto que se libera una mayor cantidad de yodo lo cual
puede levantar la tapa de la fiola yodométrica produciendo pérdidas de yodo y
errores de titulación.
Es importante levantar la tapa con cuidado para la primera adición de tiosulfato para
evitar pérdidas de yodo gaseoso. También se debe mantener la temperatura de
titulación y preferiblemente no estar por encima de 30 ºC puesto que todo el yodo
está gaseoso a esta temperatura.
El método de Winkler sólo puede ser aplicable si el medio de cultivo se sustituye por
agua puesto que los virajes de color no son observables en el suero (de color
amarillo).
El trasvase de la muestra para fijar el oxígeno disuelto también se hace por manguera
por lo que también presenta errores.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO VI
VI.-2
VI.-2 Para el método estático:
A mayor aireación, se le adhieren burbujas al electrodo en la membrana semi-
permeable lo cual produce errores de lectura. Las burbujas se eliminan agitando el
electrodo y este movimiento produce aireación adicional en el sistema así que, se
debe prevenir este hecho colocando el electrodo en una zona alejada de donde
emerjen las burbujas.
Estudiando este método con agua, se observa el taponamiento de la frita con
partículas que no son eliminados ni por filtración ni por ebullición por lo cual es
necesario un tratamiento engorroso para el mantenimiento de la frita (aireación a
presión, ácido nítrico concentrado, horno de templado, etc.). Así que, al trabajar con
este método usando el suero como medio de cultivo, se hace necesario el
mantenimiento de la frita cada vez que se termine cada corrida.
Se debe tomar una lectura luego de parar la aireación cuando el sistema estabilice ya
que este es el punto de comparación entre el método estático y el método de Winkler.
Es difícil mantener las mismas condiciones de aireación cada vez que se repite el
experimento ya que el taponamiento de la frita ofrece una resistencia adicional que el
aire entrante debe vencer para poder entrar al sistema fermentativo.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores _______________________________________________________________________________________________________
CAPÍTULO VI
VI.-3
VI.-3 Para el método dinámico de Humphrey:
Se necesitan aproximadamente treinta minutos de reposo para poder recuperar 200
mL de espuma formada por lo cual se hace necesario el uso de antiespumante de
base aceite para evitar la formación de espuma.
La columna de sílica gel contiene una parte de cal sodada (soda lime) para lograr
eliminar toda la humedad del aire comprimido y de esta manera evitar el transporte
de microorganismos contaminantes al sistema fermentativo.
La columna de algodón sirve para eliminar posibles microorganismos que pasen con
el aire, también elimina partículas suspendidas y esta columna es obligatoria para
lograr mantener la asepsia del sistema.
Dentro del sistema fermentativo se encuentra un termopar conectado a una
termocupla para registrar la temperatura del sistema y este termopar se debe
esterilizar por medio de una solución de metabisulfito de sodio de 0.5 g/L antes de
ser sumergido al sistema.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
______________________________________________________________________REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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APÉNDICE A MUESTRA DE CÁLCULO
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-1
MUESTRA DE CÁLCULO
A.-2 Calibración del rotámetro utilizado
Se calibró el rotámetro haciendo uso del anemómetro y conociendo la altura del
flotador. El flujo de aire se controlaba a través de una válvula. Este rotámetro fue utilizado
solo en las experiencias para 1 l y 2 l de medio de cultivo debido a que para el volumen de
300 ml los caudales de aire suministrados eran muy pequeños y no eran percibidos por este
rotámetro, asi que se utilizó un rotámetro digital que directamente registra caudales de aire
en minml . Los datos recopilados para la curva de calibración del rotámetro.
Tabla A.1: Datos recopilados para la calibración del rotámetro usado para las experiencias de 1 l y 2l
Altura del flotador del rotámetro
Presión de salida del compresor (psi)
Velocidad del aire de salida (m/s)
Diámetro interno de la tubería por donde circula el aire (cm)
1 4 0,37 0,59 1,5 5 0,55 0,59 2 5,3 0,91 0,59
2,5 5,5 1,31 0,59 3 6 1,48 0,59
Se calculó el caudal de aire que entra al rotámetro como sigue:
� � � � ���
���
���
���
���
����
l
ml
m
lsmAs
mvmlQ1
1000*
1
1000*
min1
60*)(*min 3
2
4
*)(
22 D
mA�
�
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-2
4
100
1*59,0*
)(
2
2 �
����
����
���
�cm
mcm
mA
�
22 05*75,2)( mEmA ��
� � ���
���
���
���
���
�����
l
ml
m
lsmEs
mmlQ1
1000*
1
1000*
min1
60*0575,2*37,0min 3
2
� � min94,606minmlmlQ �
Tabla A.2: Caudales de aire suministrado para cada altura de rotámetro utilizado.
Altura del flotador Caudal de aire
suministrado (ml/min) 1 607
1,5 902 2 1493
2,5 2149 3 2428
Se graficó el caudal de aire que entra al rotámetro en función de la altura del
flotador del mismo y se le realizó una regresión lineal para conocer la línea de tendencia.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-3
y = 1,24E+03x - 9,39E+02
R2 = 9,81E-01
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 1 2 3 4 5 6Altura del flotador
Cau
dal (
ml/
min
)
calibración de rotámetro pequeño Regresión lineal
Gráfico A.1: Calibración del rotámetro utilizado para las experiencias de 1 l y 2 l y su regresión lineal.
A.-2 Cálculo del flujo volumétrico de aire utilizado de acuerdo a la aireación necesaria y
el volumen de medio de cultivo.
Para sistemas fermentativos la aireación se expresa en términos de V.V.M la cual es
una relación entre el volumen de aire suministrado por volumen de medio de cultivo. Así,
al fijar el volumen del medio de cultivo utilizado y conociendo a través de la bibliografía
que el valor máximo utilizado para producir butanodiol es 1 V.V.M, podemos escoger los
volúmenes y las aireaciones necesarias para cada sistema fermentativo. Entonces para 1 L
de medio de cultivo y una aireación de 0,3 V.V.M se requiere:
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-4
)(
min)/(..
mledioVolumendem
mlflujoaireMVV �
ml
mlflujoaire
1000
min)/(min
13,0 �
min/300mleFlujodeair �
Con la curva de calibración del rotámetro obtenida en el paso A.1 se realizó el
mismo cálculo anterior para las distintas aireaciones en los diferentes volúmenes. Los
resultados son recopilados en las tablas A.3, A.4 y A.5.
Tabla A.3: Altura de flotador del rotámetro necesaria para obtener las aireaciones del sistema de fermentación
en estudio, para un volumen de 1 l de medio de cultivo.
Altura rotámetro Presión de salida
(psi)Caudal de aire
(ml/min) Aireación(V.V.M )
1 4 306 0,3 1,2 4,5 553 0,5 1,5 5 924 1
Tabla A.4: Altura de flotador del rotámetro necesaria para obtener las aireaciones del sistema de fermentación
en estudio, para un volumen de 2 l de medio de cultivo.
Altura rotámetro Presión de salida
(psi)Caudal de aire
(ml/min) Aireación(V.V.M)
1,2 4,5 553 0,3 1,6 5 1048 0,5 2,5 5,2 2160 1
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-5
Tabla A.5: Caudal de aire necesario para obtener las aireaciones del sistema de fermentación en estudio, para
un volumen de 300 ml de medio de cultivo.
Presión de salida (psi)
Caudal de aire (ml/min)
Aireación(V.V.M)
2 96 0,3
2,5 159 0,5
3 312 1
A.-2 Cálculo de la concentración de oxígeno disuelto a través del método de Winkler.
A través del método de Winkler se realiza una titulación yodométrica para conocer
la concentración de oxígeno disuelto al sustituir el medio de cultivo de la fermentación por
agua. Primero se desoxigena el agua por ebullición de la misma y esta es trasvasada a la
columna de fermentación, donde se conecta al sistema de aireación y, al iniciar la aireación
se pulsa el cronómetro para conocer el tiempo de aireación.
Al terminar el periodo de aireación se detiene el cronómetro y se toma una muestra
de 200 ml de agua oxigenada a la cual se le fija el oxígeno disuelto. Previamente se
normaliza la solución de tiosulfato de sodio. Tomando como ejemplo los datos recolectados
para 300 ml de volumen de medio de cultivo y aireación media, mostrados en la tabla A.-6,
se realizaron los siguientes cálculos.
Tabla A.-6: Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el método
de Winkler para 300 ml de volumen de medio y 0,3 V.V.M de aireación en su primera repetición.
Primera corrida Normalidad del 0,013256 0,013256 0,013256 0,013256
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-6
tiosulfato de sodio (N) Volumen de muestra
(ml) 50 50 50 50 Volumen de tiosulfato
gastado (ml) 4,8 5,1 5,8 4,5
Haciendo uso de las reacciones químicas presentadas como ecuaciones Ec.-3 hasta
Ec.-7 en el capítulo II de este proyecto, se calculó la concentración de oxígeno disuelto en
el medio como se muestra a continuación:
Para:
[O2] [=] ppm [=] mg/l,
Ntios [=] equi/l,
Vtios [=] Vmuesra [=] l.
mL
Omol
mg
OHMnmol
Omol
SOMnmol
OHMnmol
Imol
SOMnmol
OSmol
Imol
OSequi
OSmolmLN
O50
.1
32000*
)(.4
.1*
)(.1
)(.2*
.1
)(.1*
.2
.1*
.2
.1*3.6*009963.0
][23
2
342
3
2
342
232
22
32
232
2
��
���
���
���
���
���
���
���
�
���
�
���
�
���
�
���
�
���
�
ppmO 0,5][ 2 �
A.-3 Cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno disuelto usando la
concentración de oxígeno disuelto determinado a través del método de Winkler.
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30,00,45
muestra
tiostios
V
Omol
mg
OHMnmol
Omol
SOMnmol
OHMnmol
Imol
SOMnmol
OSmol
Imol
OSequi
OSmolVN
O��
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
���
�
���
�
23
2
342
3
2
3422
32
22
32
232
2
.1
32000*
)(.4
.1*
)(.1
)(.2*
.1
)(.1*
.2
.1*
.2
.1**
][
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-7
Conociendo la concentración final de oxígeno disuelto en el medio de cultivo, se
utilizó la ecuación Ec.- 10 mostrada en el capítulo II, tomando que la concentración inicial
de oxígeno disuelto es cero y colocando el tiempo de aireación en minutos, entonces para el
ejemplo se tiene:
� �tOO
CaK ifl �
��
][][* 22*
(Ec. 10)
�
����
����
���
��
ss
ppmppmCaKl
60
min1*36,0min30
00,5* *
min/2.0min/167.0* * ppmppmCaKl ��
De la misma manera se realizó para los cuatro volúmenes recolectados de muestra y
se calculó un promedio de los valores de **CaKl para ser reportado como valor final.
A.-4 Cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno disuelto a través del método
estático.
El método estático y el de Winkler se realizaban paralelamente cuando el medio de
cultivo era agua pura debido a que durante el tiempo de aireación del medio de cultivo, se
registraban valores de concentración de oxígeno disuelto cada minuto, leído a través del
electrodo que mide oxígeno disuelto y con el método de Winkler se registraba el tiempo
total de aireación.
Primero se leyó la concentración inicial de oxígeno disuelto en el medio una vez que
este era trasvasado al biorreactor y se anotaba este dato como valor de concentración de
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de bio-reactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-8
oxígeno en un tiempo cero y luego se reportaban valores cada minuto como los mostrados a
continuación en la tabla A.-7.
Tabla A.7.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero desgasificados
con 1 l de volumen y 0,3 V.V.M de aireación para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el
método estático.
t, (min) [O2]agua 1, ppm
[O2]agua 2, ppm
[O2]agua 3, ppm
[O2]suero,ppm
0 0,74 0,55 0,43 1,22 1 0,97 0,60 0,43 3,94 2 1,17 1,36 0,58 4,31 3 1,59 1,98 0,95 4,64 4 1,81 2,42 1,09 4,96 5 2,01 2,88 1,39 5,21 6 2,37 3,17 1,50 5,46 7 2,48 3,52 1,63 5,72 8 2,57 3,92 2,01 6,18 9 2,82 4,16 2,33 6,24
10 3,04 4,33 2,31 6,28 11 3,17 4,30 2,54 6,31 12 3,43 4,50 2,57 6,32 13 3,50 4,50 3,12 6,35 14 3,68 4,54 3,33 6,36 15 3,96 4,68 3,29 6,38 16 3,83 4,78 3,48 6,39 17 3,96 4,92 3,75 6,41 18 3,97 5,00 3,67 6,39 19 4,11 4,98 3,99 6,42 20 4,23 5,11 3,85 6,43
21 4,32 5,22 4,17 6,32
22 4,41 5,14 4,17 6,36 23 4,52 5,38 4,21 6,39 24 4,62 5,23 4,24 6,39 25 4,55 5,23 4,69 6,39 26 4,53 5,49 4,79 6,40 27 4,90 5,45 5,12 6,41 28 4,70 5,47 5,23 6,41 29 4,72 5,59 4,97 6,44 30 4,88 5,57 4,93 6,46 31 5,08 5,64 4,92 6,47 32 4,96 5,64 5,29 6,49 33 4,97 5,85 5,10 6,48 34 5,07 5,74 5,09 6,49 35 4,94 5,81 5,23 6,48
36 5,21 5,62 5,21 6,47 37 5,15 5,65 5,28 6,48 38 5,04 5,78 5,12 6,48 39 5,31 5,76 5,30 6,49 40 5,24 5,87 5,27 6,50 41 5,19 5,93 5,25 6,48 42 5,28 5,92 5,28 6,47 43 5,31 6,04 5,51 6,49 44 5,37 5,96 5,36 6,49 45 5,29 5,86 5,41 6,51
Con estos datos se construyó una gráfica concentración de oxígeno disuelto versus
tiempo de aireación como la expuesta en la gráfica A.2.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-9
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 10 20 30 40 50Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Agua 1 Agua 2 Agua 3 Suero
Gráfico A.2: Representación esquemática de los datos experimentales de la concentración de oxígeno disuelto
en agua y suero durante el período de aireación para 1l de volumen y 0,3 V.V.M de aireación.
Con estas curvas se graficó una curva de tendencia para cada una de ellas y se
obtuvo sus respectivas ecuaciones de tendencia. En el caso del agua pura se realizaba este
procedimiento por triplicado y, en el caso del suero, se realizaba sólo una vez debido a que
el suero contiene iones sulfito los cuales son envenenadores del cátodo del electrodo que
mide oxígeno disuelto. Para explicar este paso se tomaron las muestras de agua y se
muestran en la gráfica A.3.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-10
y�= ��0,002x2�+ �0,217x �+ �0,997
y�= ��0,003x2�+ �0,264x �+ �1,403
y�= ��0,003x2�+ �0,254x �+ �0,185
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 10 20 30 40 50Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Agua 1 Agua 2Agua 3 Curva de tendencia 1 (Agua 1)Curva de tendencia 2 (Agua 2) Curva de tendencia 3 (Agua 3)
Gráfico A.3.: Representación esquemática de las líneas de tendencia y sus ecuaciones respectivas a las cuales se
ajusta las curvas de concentración de oxígeno disuelto en agua durante el período de aireación para 1l de volumen y 0,3
V.V.M de aireación.
Se derivaron cada una de estas funciones cuadráticas de tendencia y se calculó el
coeficiente de transferencia de oxígeno según la ecuación Ec. 12, como la pendiente de la
derivada multiplicada por -1
� � taKCC LL *ln * ��� (Ec. 12)
Tabla A.8.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno
usando agua como medio de cultivo según el método estático.
Funciones de tendencia Derivadas Kla (1/min)
Y1 = -0,002x2 + 0,217x + 0,997 dY/dX=-0,004*X+0,217 0,004
Y2= -0,003x2 + 0,264x + 1,403 dY/dX=-0,006*X+0,264 0,006
Y3= -0,003x2 + 0,254x + 0,185 dY/dX=-0,006*X+0,254 0,006
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-11
Luego, se calculó un valor del coeficiente global de transferencia de oxígeno
promedio para el caso del agua, según la ecuación:
n
aKaK
ni
iiL
promL
��
�� 1
)(
3
min/1)006,0006,0004,0( �promLaK
1min0053,0 ��promLaK
Por último, como se realizaron las muestras con agua por triplicado, se hace
necesario conocer la desviación estándar normal y para esto se le aplica la siguiente
ecuación:
1
)(1
2
�
����
�
n
XXS
ni
ipromi
n
13
min)005,0006,0(min)005,0006,0(min)005,0004,0( 121212
����
����
nS
1min001,0 ��nS
Cabe destacar que cuando se utilizaba suero como medio de cultivo, la experiencia
se realizaba una sola vez debido a que el suero presenta iones sulfito en solución los cuales,
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-12
son envenenadores del cátodo del electrodo, así que el cálculo de la desviación estándar
solo fue realizado cuando la muestra analizada era agua.
Por lo tanto, el valor del coeficiente global de transferencia de oxígeno para este
caso, es:
1min00,001,0 ���aK L
De la misma manera se realizaron los cálculos del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método estático para los diferentes volúmenes y aireaciones, tanto para el
agua como para el suero.
A.-5 Cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno disuelto a través del método
dinámico de Humphrey.
Para la realización de este método primeramente, se montaba el sistema de
fermentación con suero como medio de cultivo y un pre-inóculo de cepas de Klebsiella
Oxytoca como microorganismo. Una vez cumplidas 24 horas de fermentación, se
registraban valores de concentración de oxígeno disuelto en el medio versus tiempo.
Durante los primeros diez minutos el sistema no era perturbado; al cumplir dicho tiempo se
apagaba la bomba de alimentación de aire al sistema de fermentación y se recolectaban los
valores de oxígeno disuelto cada minuto hasta que dicha concentración llegaba
aproximadamente a 1 ppm. En ese momento se reiniciaba la aireación al sistema
fermentativo y se seguían tomando los datos hasta cumplir 70 minutos de estudio o hasta
que se llegara al estado estacionario. Los datos tomados para este ejemplo son de la tabla
A.9 para un volumen de medio de cultivo de 1 l y aireación media.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-13
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Datos recopilados Líneas de tendencia
Tabla A.9 : Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema fermentativo de 1 l
de volumen y 0,5 V.V.M de aireación para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno mediante el
método dinámico de Humphrey.
t(min)
[O2] ppm
0 5,37 1 5,3 2 5,37 3 5,41 4 5,42 5 5,52 6 5,45 7 5,42 8 5,39 9 5,41
10 5,52 11 5,52 12 4,01 13 3,53
14 3,34 15 3,22 16 3,09 17 3,01 18 2,96 19 2,89 20 2,83 21 2,75 22 2,68 23 1,83 24 1,99 25 1,91 26 1,94 27 2,34 28 2,69 29 3,14
30 3,29 31 3,41 32 3,52 33 3,65 34 3,81 35 3,98 36 4,09 37 4,25 38 4,31 39 4,39 40 4,42 41 4,44 42 4,49 43 4,5 44 4,51 45 4,54
46 4,65 47 4,66 48 4,67 49 4,67 50 4,69 51 4,68 52 4,61 53 4,59 54 4,53 55 4,52 56 4,53 57 4,54 58 4,54 59 4,47 60 4,53 61 4,56
62 4,55 63 4,53 64 4,52 65 4,5 66 4,49 67 4,46 68 4,48 69 4,49 70 4,46
Gráfico A.4: Representación esquemática de los datos experimentales de la concentración de oxígeno
disuelto en el sistema fermentativo para 1l de volumen y 0,5 V.V.M de aireación según el método dinámico de
Humphrey
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-14
y�= �0,0131x �+ �5,3531
5,2
5,4
5,6
5,8
6
0 2 4 6 8 10 12
Tiempo (min)
conc
entr
ació
n de
oxí
geno
di
suel
to (p
pm)
Luego los datos fueron separados para obtener cada línea de tendencia, mostrada
como la línea azul, como se muestra a continuación.
Tabla A.10: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema
fermentativo de 1 l de volumen y aireación media para la determinación del coeficiente de transferencia de
oxígeno mediante el método dinámico de Humphrey
Gráfico A.5: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el período de
aireación para 1l de volumen y 0,3 V.V.M de aireación.
t (min) [O2] ppm
0 5,37
1 5,3
2 5,37
3 5,41
4 5,42
5 5,52
6 5,45
7 5,42
8 5,39
9 5,41
10 5,52
11 5,52
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-15
y�= ��0,1881x�+ �6,4019
0
1
2
3
4
5
6
10 15 20 25Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Tabla A.11.- Concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero desgasificados con 1 l de volumen y
0,3 V.V.M de aireación.
Gráfico A.6: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el período de
aireación para 1l de volumen y 0,3 V.V.M de aireación
Tabla A.12.- Concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero desgasificados con 1 l de volumen y
0,3 V.V.M de aireación .
11 5,52
12 4,01
13 3,53
14 3,34
15 3,22
16 3,09
17 3,01
18 2,96
19 2,89
20 2,83
21 2,75
22 2,68
23 1,83
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-16
y�= ��0,007x2�+ �0,6155x ���9,0466
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
23 28 33 38 43 48
Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
24 1,99
25 1,91
26 1,94
27 2,34
28 2,69
29 3,14
30 3,29
31 3,41
32 3,52
33 3,65
34 3,81
35 3,98
36 4,09
37 4,25
38 4,31
39 4,39
40 4,42
41 4,44
42 4,49
43 4,5
44 4,51
45 4,54
46 4,65
Gráfico A.7: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el período de
aireación para 1l de volumen y 0,3 V.V.M de aireación.
Tabla A.13.- Concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero desgasificados con 1 l de volumen y
0,3 V.V.M de aireación.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-17
y�= ��0,009x �+ �5,0792
4
4,1
4,2
4,3
4,4
4,5
4,6
4,7
4,8
4,9
5
45 50 55 60 65 70 75
Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
47 4,66
48 4,67
49 4,67
50 4,69
51 4,68
52 4,61
53 4,59
54 4,53
55 4,52
56 4,53
57 4,54
58 4,54
59 4,47
60 4,53
61 4,56
62 4,55
63 4,53
64 4,52
65 4,5
66 4,49
67 4,46
68 4,48
69 4,49
70 4,46
Gráfico A.8: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el período de
aireación para 1l de volumen y aireación baja.
Luego, la gráfica A.5 muestra una curva polinómica de segundo orden la cual
representa la diferencia entre la transferencia de oxígeno hacia la solución y la demanda de
oxígeno por la respiración del microorganismo, así que se deriva la función de tendencia de
esta curva y luego se calcula el coeficiente de transferencia de oxígeno sabiendo que la
línea recta obtenida de la derivada de la función tiene como pendiente -1/KLa.
Función de tendencia Derivada de la función Pendiente de la derivada
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-18
y = -0,007x2 + 0,615x - 9,046 dY/dX=-0,014*X+0,615 -0,014
pendienteaK L
1��
014,01
��
�aK L
1min43,71 ��aK L
De igual forma se realizó el cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno
disuelto según el método dinámico de Humphrey para diferentes volúmenes y aireaciones.
A.-6 Cálculo de la salinidad del suero.
La salinidad es un factor que influye en la lectura del electrodo que mide oxígeno
disuelto por lo cual se hace necesario introducir este valor en el registrador del electrodo
para que presente el valor correcto de oxígeno disuelto. Para determinar el valor de la
salinidad del suero se preparó una serie de soluciones con concentración conocida de
cloruro de sodio y se les midió la conductividad en mSiems. Con estos valores se construyó
una gráfica de conductividad en función de la concentración de sal en la solución y se le
graficó una línea de tendencia con su respectiva ecuación. Este procedimiento se muestra a
continuación.
Tabla A.14.- Datos de las soluciones salinas preparadas y su conductividad eléctrica medida para la determinación de la
salinidad del suero de leche.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-19
masa NaCl pesado (g)
Volumen de enrase (ml)
Concentración de la solución (g NaCl /ml)
Conductividad leída (mS)
0 100 0 1,00
0,1054 100 0,001054 3,25
0,2033 100 0,002033 6,07
0,3087 100 0,003087 9,06
0,4037 100 0,004037 11,63
0,5060 100 0,00506 14,50
y�= �0,0004x���0,0003
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 5 10 15
Conductividad (mS)
Con
cent
raci
ón d
e N
aCl (
g/m
L)
Datos recopilados Línea de tendencia obtenida
Gráfico A.9: Representación gráfica del comportamiento de la concentración de sales presentes en el suero en función de
la conductividad eléctrica
Luego, se midió la conductividad del suero usado para cada experiencia y haciendo
uso de la ecuación de tendencia obtenida se calculó la concentración de sal disuelta en el
suero. El ejemplo del cálculo se muestra a continuación.
Tabla A.15.- Conductividad eléctrica medida para suero utilizado para el sistema fermentativo con 300 ml de volumen de
medio de cultivo y aireación baja.
Volumen del Aireación Conductividad (mS)
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-20
medio
300 mL 0,3 V.V.M 9,34
mlgmSdadConductivimSml
gNaCl 0003.0)(**0004.0][ ��
mlgmSmSml
gNaCl 0003,034,9**0004,0][ ��
mlgNaCl /194,3][ �
De la misma manera se realizó para todas las muestras de suero utilizadas. Este
valor se introducía en el registrador del electrodo para, de esta manera, tener el valor real de
la concentración de oxígeno disuelto en el medio salino.
A.-7 Cálculo del contenido de lactosa en una muestra de suero.
Se medió el contenido de lactosa a través de un método colorimétrico usando ácido
pícrico. Se tomaba una muestra de 2 ml de suero, se enrasó con solución de ácido pícrico
saturado hasta 100 ml y se filtró. Se tomaron 10 ml de este filtrado y se agregó 10 ml de
agua destilada, 10 ml de solución de bicarbonato de sodio al 22 % y 10 ml de ácido pícrico
saturado en un balón aforado de 100 ml. Esta mezcla se colocó en baño de María destapada
por 20 minutos a 70ºC. Se enfrió la solución y se diluyó hasta el aforo con agua destilada y
se homogeneizó para medirle la densidad óptica a 520 nm. El mismo procedimiento se
realizó para una solución de 4 g/l de lactosa. Se registraron los valores de absorbancia tanto
para la muestra problema como para la solución patrón.
La concentración de lactosa se mide haciendo uso de la siguiente ecuación.
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-21
5*%p
m
A
ALactosa �
Tabla A.16.-Datos recopilados para muestras, necesarios para el cálculo de la concentración de lactosa
Muestras de lactosa
Absorbancia leída
Patrón 0,254
1 0,574
La concentración de lactosa para este ejemplo es:
5*254,0574,0
% �Lactosa
%213,2% �Lactosa
A.-7 Cálculo del contenido de glucosa en una muestra de suero.
Este cálculo se realizó mediante el método enzimático el cual es el mismo que se
utiliza para conocer la concentración de glicemia en la sangre. Se coloca 1 ml de reactivo
de glucosa en tubos etiquetados como patrón y muestra. Luego, se precalientan ambos
tubos por cinco minutos a 37ºC. Después se coloca 0.01 ml de la muestra en su respectivo
tubo y se mezcla bien y se incuban los tubos a 37 ºC por 10 minutos. Finalmente se mide la
absorbancia de la muestra y el patrón a 500 nm y se registran estos valores.
Para conocer la concentración de glucosa en la muestra se utiliza la siguiente
ecuación:
274.0*)/(%cosp
m
A
AVmaGlu �
Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE A
A.-22
Para detallar este cálculo se toma el siguiente ejemplo.
Tabla A.17.- Datos recopilados para muestras, necesarios para el cálculo de la concentración de glucosa
Muestras de glucosa
Absorbancia leída
Patrón 0,060
1 1,269
274.0*060,0
269,1)/(%cos �VmaGlu
%795,5)/(%cos �VmaGlu
APÉNDICE B
DATOS RECOPILADOS
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-1
B.1.- Datos recopilados para la realización del método de Winkler.
Tabla A.1: (a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación baja en su primera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,013256 0,013256 0,013256 0,013256
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 4,8 5,1 5,8 4,5
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 5,09 5,41 6,15 4,77
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30,00,45 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,36
(b)
Tabla B.-1: (a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación baja en su segunda repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Segunda corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,013256 0,013256 0,013256 0,013256
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 5,1 5,3 4,9 4,5
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 5,41 5,62 5,20 4,77
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30.00.59 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,25
(b)
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
Tabla B.-2: (a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación baja en su tercera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,013256 0,013256 0,013256 0,013256
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 5,6 5,8 4,1 5,6
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 5,94 6,15 4,35 5,94
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30.00.62 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,59
(b)
Tablas B.3: (a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación media en su primera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,009963 0,009963 0,009963 0,009963
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 6,3 6,5 6,8 6,9
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 5,02 5,18 5,42 5,50
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30,00,36 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,28
(b)
Tablas B.4 :(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación media en su segunda repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Segunda corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,009963 0,009963 0,009963 0,009963
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 6,5 6,9 7,2 7,4
Concentración de oxígeno disuelto calculado (ppm) 5,18 5,50 5,74 5,90
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-3
�
(b)
Tablas B.5:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación media en su tercera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,009963 0,009963 0,009963 0,009963
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 6,9 6,8 7,3 7
Concentración de oxígeno disuelto calculado
(ppm) 5,50 5,42 5,82 5,58
(a)
�
(b)
Tablas B.6:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación alta en su primera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,012784 0,012784 0,012784 0,012784
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 5,8 6,1 5,2 5,4
Concentración de oxígeno disuelto calculado
(ppm) 5,93 6,24 5,32 5,52
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30,00,32 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,75
(b)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30.00.76 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,58
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30.00.41 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,6
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-4
Tablas B.7:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación alta en su segunda repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Segunda corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,012784 0,012784 0,012784 0,012784
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 6,1 4,9 5,4 5,8
Concentración de oxígeno disuelto calculado
(ppm) 6,24 5,01 5,52 5,93
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30.00.56 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,68
(b)
Tablas B.8:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 300 mL de volumen de medio y aireación alta en su tercera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,012784 0,012784 0,012784 0,012784
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 5,7 5,5 6,3 5,8
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 5,83 5,62 6,44 5,93
(a)
(b)
Tablas B.9:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación baja en su primera repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,015149 0,015149 0,015149 0,015149
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 4,3 5,3 3,5 5,2
Concentración de oxígeno disuelto calculado (ppm) 5,21 6,42 4,24 6,30
Tiempo de aireación (min,s,cs) 30.01.29 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,96
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-5
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.00,14 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,54
(b)
Tablas B.10:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación baja en su segunda repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Segunda corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,015149 0,015149 0,015149 0,015149
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 4,7 4,8 5,1 4,6
Concentración de oxígeno disuelto calculado
(ppm) 5,70 5,82 6,18 5,57
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.00.62 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,82
(b)
Tablas B.11:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación baja en su tercera repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,015149 0,015149 0,015149 0,015149
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 4,8 5,3 4,8 4,8
Concentración de oxígeno disuelto calculado
(ppm) 5,82 6,42 5,82 5,82
(a)
(b)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.09,70 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,97
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-6
Tablas B.12:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación media en su primera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,013454 0,013454 0,013454 0,013454
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 5,1 5,4 5,9 5,4
Concentración de oxígeno disuelto calculado
(ppm) 5,49 5,81 6,35 5,81
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.01,04 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,87
(b)
Tablas B.13:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación media en su segunda repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Segunda corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,013454 0,013454 0,013454 0,013454
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 5,1 5,3 5,4 7,5
Concentración de oxígeno disuelto calculado (ppm) 5,49 5,70 5,81 8,07
(a)
(b)
Tablas B.14:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación media en su tercera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,013454 0,013454 0,013454 0,013454
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 4,9 5,6 5,4 5,6
Concentración de oxígeno disuelto calculado (ppm) 5,27 6,03 5,81 6,03
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.00,89 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 6,27
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-7
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.00,43 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,79
(b)
Tablas B.15:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación alta en su primera repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,012396 0,012396 0,012396 0,012396
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 6,9 7,3 5,5 5,8
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 6,84 7,24 5,45 5,75
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.04,02 Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 6,32
(b)
Tablas B.16:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación alta en su segunda repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Segunda corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,012396 0,012396 0,012396 0,012396
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 6,4 5,8 6,9 6,6
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 6,35 5,75 6,84 6,55
(a)
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.59,86 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 6,37
B
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-8
Tablas B.17:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 1 L de volumen de medio y aireación alta en su tercera repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,012396 0,012396 0,012396 0,012396
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 7,3 5,3 5,8 5,6
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 7,24 5,26 5,75 5,55
(a)
(b)
Tablas B.18:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2L de volumen de medio y aireación baja en su primera repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,0123 0,0123 0,0123 0,0123
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 6,4 5,9 3,5 5,9
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 6,30 5,81 3,44 5,81
(a)
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1.40.00,37 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,34
(b)
Tablas B.19:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2 L de volumen de medio y aireación baja en su segunda repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Segunda corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,0123 0,0123 0,0123 0,0123
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 5,8 5,8 6,1 6,6
Tiempo de aireación (min,s,cs) 45.00,43 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,95
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-9
Concentración de oxígeno disuelto calculado (ppm) 5,71 5,71 6,00 6,49
(a)
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1.40.00,82 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,98
(b)
Tablas B.20:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2 L de volumen de medio y aireación baja en su tercera repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,0123 0,0123 0,0123 0,0123
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 5,8 5,3 4,8 4,8
Concentración de oxígeno disuelto calculado (ppm) 5,71 5,22 4,72 4,72
(a)
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1.40.00,51 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,09
(b)
Tablas B.21:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2 L de volumen de medio y aireación media en su primera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,011665 0,011665 0,011665 0,011665
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 7,8 5,2 5,5 6,0
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 7,28 4,85 5,13 5,60
(a)
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1.40.00,60 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,72
(b)
Tablas B.22:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2 L de volumen de medio y aireación media en su segunda repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-10
Segunda corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,0123 0,0123 0,0123 0,0123
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 7,3 5,3 5,4 6,1
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 7,18 5,22 5,31 6,00
(a)
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1.40.00.82 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,93
(b)
Tablas B.23:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2 L de volumen de medio y aireación media en su tercera repetición. (b) Tiempo total de
aireación y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,0123 0,0123 0,0123 0,0123
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 6,8 6,0 4,2 5,4
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 6,69 5,90 4,13 5,31
(a)
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1.40.00.47 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,51
(b)
Tablas B.24:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2 L de volumen de medio y aireación alta en su primera repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Primera corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,0144956 0,0144956 0,0144956 0,0144956
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 4,0 5,1 6,0 5,8
Concentración de oxígeno disuelto calculado
(ppm) 4,64 5,91 6,96 6,73
(a)
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-11
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1,40,07,96 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 6,0591608
(b)
Tablas B.25:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2 L de volumen de medio y aireación alta en su segunda repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Segunda corrida
Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,0144956 0,0144956 0,0144956 0,0144956
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50
Volumen tiosulfato gastado (mL) 4,9 5,4 4,8 4,9
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 5,68 6,26 5,57 5,68
(a)
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1,40,05,32 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,79824
(b)
Tablas B.26:(a) Datos experimentales para la determinación de oxígeno disuelto de aire en agua determinado por el
método de Winkler para 2 L de volumen de medio y aireación alta en su tercera repetición. (b) Tiempo total de aireación
y concentración promedio de oxígeno disuelto en la muestra
Tercera corrida Normalidad de tiosulfato de sodio (N) 0,0144956 0,0144956 0,0144956 0,0144956
Volumen muestra (mL) 50 50 50 50 Volumen tiosulfato gastado (mL) 4,6 4,5 5,5 5
Concentración de oxígeno disuelto
calculado (ppm) 5,33 5,22 6,38 5,80
(a)
Tiempo de aireación (h.min.s,cs) 1,40,00,65 Concentración de oxígeno disuelto
promedio (ppm) 5,6822752
(b)
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-12
B.2.- Datos recopilados y gráficos realizados para la realización del método estático.
Tabla B.27.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero
desgasificados con 300 mL de volumen y aireación baja para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno
según el método estático.�
t, (min) [o2]agua,
ppm[o2]agua,
ppm[o2]agua,
ppm
[O2]suero,ppm
0 0,56 0,43 0,49 0,37
1 1,72 1,23 0,86 2,32
2 2,27 1,98 1,18 3,05
3 3,52 2,34 2,36 4,13
4 3,65 3,06 2,41 4,91
5 5,12 3,56 2,99 5,68
6 6,01 3,83 3,12 6,19
7 4,82 4,16 3,29 6,23
8 5,96 5,03 4,20 6,28
9 5,19 4,76 5,67 6,25
10 5,35 5,12 4,93 6,29
11 5,60 5,04 5,08 6,32
12 5,60 5,24 5,22 6,34
13 5,76 5,38 5,28 6,35
14 5,87 5,49 5,39 6,40
15 5,75 5,71 5,86 6,36
16 5,84 5,96 6,01 6,38
17 5,91 6,15 5,97 6,37
18 6,13 6,27 6,08 6,34
19 5,88 6,03 6,13 6,39
20 5,91 5,86 6,22 6,28
21 6,26 6,00 6,18 6,23
22 6,03 6,16 6,13 6,29
23 6,02 6,05 6,23 6,35
24 6,02 6,08 6,18 6,34
25 6,12 6,10 6,24 6,39
26 6,03 6,07 6,23 6,37
27 6,24 6,09 6,10 6,35
28 6,22 6,14 6,14 6,20
29 6,09 6,10 6,08 6,31
30 6,14 6,05 6,09 6,34
�
y = -0.0102x2 + 0.4224x + 2.0573
y = -0.0109x2 + 0.477x + 1.1137
y = -0.0122x2 + 0.5326x + 0.5525
y = -0,0117x2 + 0,4462x + 2,61970,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 5 10 15 20 25 30 35Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroCurva de tendencia (Agua 1) Curva de tendencia (Agua 2)Curva de tendencia (Agua 3) Curva de tendencia (suero)
Gráfico B.1: Representación esquemática de los datos experimentales de la concentración de oxígeno disuelto
en agua y suero durante el período de aireación para 300 mL de volumen y aireación baja y sus curvas de tendencias.
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
Tabla B.28.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 300 mL y aireación baja.
Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0111*X2+0,4773*X+1,241 Y= -0,0117*X2 + 0,4462*X + 2,6197
Derivada de la función de tendencia Y=-0,0222*X+0,4773 Y=-0,0234*X+0,4462 Coeficiente de transferencia de
oxígeno (min-1) 0,0222 0,0234
Tabla B.29.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero
desgasificados con 300 mL de volumen y aireación media para la determinación del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método estático.�
t, (min) [O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2] suero,
ppm
0 0,67 0,52 0,55 0,42
1 1,89 1,67 1,70 2,01
2 2,04 1,87 2,15 3,47
3 3,99 2,76 2,48 4,10
4 4,81 3,65 3,02 5,17
5 5,36 4,18 4,16 6,46
6 5,70 4,74 4,81 6,67
7 5,93 5,34 5,48 6,66
8 6,20 5,36 5,87 6,72
9 6,22 6,19 6,19 6,86
10 6,33 6,24 6,36 6,82
11 6,35 6,29 6,39 6,90
12 6,34 6,32 6,44 6,87
13 6,33 6,00 6,40 6,88
14 6,39 6,29 6,42 6,97
15 6,42 6,37 6,38 6,96
16 6,45 6,42 6,46 6,94
17 6,46 6,49 6,53 6,83
18 6,48 6,46 6,40 6,84
19 6,50 6,52 6,38 6,92
20 6,55 6,58 6,61 6,95
21 6,54 6,49 6,64 6,98
22 6,57 6,52 6,62 6,95
23 6,57 6,48 6,60 6,97
24 6,60 6,47 6,56 7,01
25 6,61 6,45 6,58 6,96
26 6,63 6,51 6,48 7,03
27 6,67 6,55 6,43 7,05
28 6,67 6,57 6,48 6,99
29 6,69 6,53 6,42 6,98
30 6,72 6,61 6,49 7,04
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
y = -0.0126x2 + 0.5296x + 1.4761
y = -0.0311x2 + 0.848x + 0.5398
y = -0,0127x2 + 0,496x + 2,7092
y�=��0,0117x2�+�0,4736x�+�2,2651
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 5 10 15 20 25 30 35
Tiempo (min)Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (
ppm
)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroPolinómica (Agua 2) Polinómica (Agua 3)Curva de tendencia (suero) Curva de tendencia (Agua 1)
Gráfico B.2: Representación esquemática de los datos experimentales de la concentración de oxígeno disuelto
en agua y suero durante el período de aireación para 300 mL de volumen y aireación media y sus curvas de tendencia.
Tabla B.30.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno usando agua como medio de cultivo según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 300
mL y aireación media.
. Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0184*X2+0,6171*X+1,427 Y= -0,0127*X2 + 0,496*X + 2,7092
Derivada de la función Y=-0,0368*X+0,6171 Y=-0,0254*X+0,496
Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1) 0,0222 0,0254
Tabla B.31.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero
desgasificados con 300 mL de volumen y aireación alta para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno
según el método estático.�
t, (min) [O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2] suero,
ppm
0 0,62 0,49 0,38 0,75
1 2,27 2,16 1,93 3,42
2 4,54 5,05 4,75 5,34
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
3 5,96 5,89 5,79 6,21
4 5,28 6,06 5,89 6,43
5 5,75 6,12 6,19 6,55
6 6,02 6,29 6,58 6,82
7 6,37 6,34 6,61 6,96
8 6,60 6,42 6,65 7,08
9 6,34 6,58 6,67 7,14
10 6,69 6,70 6,70 7,21
11 6,75 6,64 6,70 7,18
12 6,79 6,57 6,71 7,19
13 6,75 6,68 6,75 7,23
14 6,80 6,65 6,79 7,26
15 6,88 6,71 6,81 7,18
16 6,85 6,79 6,82 7,20
17 6,87 6,82 6,86 7,21
18 6,90 6,81 6,93 7,20
19 6,97 6,85 6,96 7,19
20 7,09 6,93 7,02 7,17
21 7,05 6,94 7,16 7,21
22 7,16 7,06 7,13 7,19
23 7,20 7,07 7,18 7,18
24 7,23 7,12 7,17 7,20
25 7,21 7,19 7,15 7,17
26 7,25 7,11 7,19 7,21
27 7,24 7,18 7,23 7,18
28 7,12 7,13 7,12 7,19
29 7,24 7,02 7,10 7,22
30 7,15 7,01 7,09 7,21
�
y = -0.0103x2 + 0.3982x + 3.4003
y = -0.0361x2 + 0.8717x + 2.0848
y = -0,0104x2 + 0,394x + 3,9542
y = -0,0102x2 + 0,4182x + 3,1759
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
0 5 10 15 20 25 30 35Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroCurva de tendencia (Agua 2) Curva de tendencia (Agua 3)Curva de tendencia (suero) Curva de tendencia (Agua 1)
�
Gráfico B.3: Representación esquemática de los datos experimentales de la concentración de oxígeno disuelto
en agua y suero durante el período de aireación para 300 mL de volumen y aireación alta.
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
Tabla B.32.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno usando agua como medio de cultivo según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 300
mL y aireación alta.
Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0188*X2+0,5445*X+2,887 Y= -0,0104*X2 + 0,394*X + 3,954
Derivada de la función Y=-0,0376*X+0,5445 Y=-0,0208*X+0,394 Coeficiente de transferencia de oxígeno
(min-1) 0,0376 0,0208
Tabla A.2.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero desgasificados
con 1 L de volumen y aireación baja para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el método
estático.�
t, (min) [O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2] suero,
ppm0 0,74 0,55 0,43 1,22 1 0,97 0,60 0,43 3,94 2 1,17 1,36 0,58 4,31 3 1,59 1,98 0,95 4,64 4 1,81 2,42 1,09 4,96 5 2,01 2,88 1,39 5,21 6 2,37 3,17 1,50 5,46 7 2,48 3,52 1,63 5,72 8 2,57 3,92 2,01 6,18 9 2,82 4,16 2,33 6,24
10 3,04 4,33 2,31 6,28 11 3,17 4,30 2,54 6,31 12 3,43 4,50 2,57 6,32 13 3,50 4,50 3,12 6,35 14 3,68 4,54 3,33 6,36 15 3,96 4,68 3,29 6,38 16 3,83 4,78 3,48 6,39 17 3,96 4,92 3,75 6,41 18 3,97 5,00 3,67 6,39 19 4,11 4,98 3,99 6,42 20 4,23 5,11 3,85 6,43
21 4,32 5,22 4,17 6,32 22 4,41 5,14 4,17 6,36 23 4,52 5,38 4,21 6,39
t, (min) [O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2] suero,
ppm24 4,62 5,23 4,24 6,39 25 4,55 5,23 4,69 6,39 26 4,53 5,49 4,79 6,40 27 4,90 5,45 5,12 6,41 28 4,70 5,47 5,23 6,41 29 4,72 5,59 4,97 6,44 30 4,88 5,57 4,93 6,46 31 5,08 5,64 4,92 6,47 32 4,96 5,64 5,29 6,49 33 4,97 5,85 5,10 6,48 34 5,07 5,74 5,09 6,49 35 4,94 5,81 5,23 6,48
36 5,21 5,62 5,21 6,47 37 5,15 5,65 5,28 6,48 38 5,04 5,78 5,12 6,48 39 5,31 5,76 5,30 6,49 40 5,24 5,87 5,27 6,50 41 5,19 5,93 5,25 6,48 42 5,28 5,92 5,28 6,47 43 5,31 6,04 5,51 6,49 44 5,37 5,96 5,36 6,49 45 5,29 5,86 5,41 6,51
�
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
y = -0.0102x2 + 0.4224x + 2.0573
y = -0.0109x2 + 0.477x + 1.1137
y = -0.0122x2 + 0.5326x + 0.5525
y = -0,0117x2 + 0,4462x + 2,61970,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 5 10 15 20 25 30 35Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroCurva de tendencia (Agua 1) Curva de tendencia (Agua 2)Curva de tendencia (Agua 3) Curva de tendencia (suero)
Gráfico B.4: Representación esquemática de los datos experimentales de la concentración de oxígeno disuelto
en agua y suero durante el período de aireación para 1L de volumen y aireación baja.
Tabla B.33.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno usando agua como medio de cultivo según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 1 L y
aireación baja.
Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0111*X2+0,477*X+1,2412 Y= -0,0117*X2 + 0,4462*X + 2,6197
Derivada de la función Y=-0,0222*X+0,477 Y=0,0234*X+0,4462Coeficiente de transferencia de
oxígeno (min-1) 0,0222 0,0234
Tabla B.34.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero
desgasificados con 1 L de volumen y aireación media para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno
según el método estático.�
t, (min) [O2]agua,
ppm[O2] agua,
ppm[O2] agua,
ppm[O2] suero,
ppm
0 0,66 0,89 0,75 0,55
1 1,34 1,35 1,23 3,29
2 2,08 2,84 2,20 3,76
3 2,74 3,34 2,76 4,17
4 3,43 3,46 3,46 4,70
5 3,80 3,96 3,98 5,11
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
6 4,24 4,25 4,33 5,32
7 4,40 4,36 4,68 5,46
8 4,46 4,49 4,70 5,57
9 4,74 4,69 4,81 5,66
10 4,89 4,74 4,90 5,73
11 4,88 4,61 5,04 5,78
12 5,00 5,02 5,10 5,82
13 4,97 4,97 5,02 5,86
14 5,22 5,02 5,22 5,90
15 5,22 5,25 5,19 5,90
16 5,12 5,11 5,30 5,93
17 4,96 5,10 5,29 5,94
18 5,12 5,13 5,36 6,00
19 5,19 5,19 5,30 6,03
20 5,15 5,11 5,38 6,04
21 5,12 5,13 5,44 5,92
22 5,19 5,27 5,37 5,95
23 5,14 5,39 5,41 5,97
23 5,14 5,39 5,41 5,97
24 5,18 5,48 5,43 6,00
25 5,00 5,35 5,56 6,02
26 4,97 5,50 5,39 6,04
27 5,22 5,43 5,32 6,05
28 5,12 5,40 5,43 6,05
29 4,96 5,55 5,50 6,07
30 5,12 5,59 5,52 6,09
31 5,19 5,61 5,37 6,14
32 5,15 5,47 5,58 6,14
33 5,31 5,53 5,50 6,15
34 5,13 5,53 5,60 6,16
35 5,33 5,56 5,53 6,14
36 5,28 5,56 5,44 6,17
37 5,30 5,55 5,55 6,16
38 5,42 5,47 5,64 6,14
39 5,46 5,55 5,68 6,22
40 5,20 5,69 5,61 6,25
41 5,39 5,70 5,59 6,27
42 5,59 5,65 5,62 6,28
43 5,55 5,70 5,70 6,10
44 5,47 5,74 5,69 6,15
45 5,33 5,61 5,58 6,17
�
�
y�= ��0,02x2�+ �0,585x�+ �1,043
y�= ��1,726E �02x2�+ �5,135E �01x �+ �1,456E +00
y�= ��0,019x2�+ �0,590x �+ �1,096
y�= ��0,02x2�+ �0,5629x �+ �2,27280,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 5 10 15 20 25Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroCurva de tendencia (Agua 1) Curva de tendencia (Agua 2)Curva de tendencia (Agua 3) Línea de tendencia (suero)
Gráfico B.5.: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el
período de aireación para 1L de volumen y aireación media.
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
Tabla B.35.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno usando agua como medio de cultivo según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 1 L y
aireación media.
. Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0187*X2+0,5628*X+1,1983 Y= -0,02*X2 + 0,5629*X + 2,2728
Derivada de la función Y=-0,0374*X+0,5628 Y=-0,04*X+0,5629 Coeficiente de transferencia de
oxígeno (min-1) 0,0374 0,04
Tabla B.36.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero
desgasificados con 1 L de volumen y aireación alta para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno
según el método estático.�
t (min) [O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2] suero,
ppm
0 0,65 0,48 0,59 0,64
1 1,33 1,08 1,01 4,19
2 1,61 1,75 1,91 4,37
3 2,19 3,12 3,48 4,81
4 3,66 5,33 4,70 5,22
5 4,43 6,27 5,08 5,42
6 5,06 5,64 5,31 5,54
7 5,36 5,69 5,38 5,63
8 5,61 5,85 5,47 5,68
9 5,69 5,77 5,58 5,71
10 5,78 5,76 5,61 5,74
11 5,81 5,83 5,65 5,77
12 5,93 5,81 5,67 5,79
13 5,95 5,84 5,70 5,81
14 5,83 5,85 5,70 5,82
15 5,92 5,86 5,71 5,84
16 5,99 5,79 5,75 5,86
17 5,96 5,83 5,78 5,88
18 5,94 5,96 5,75 5,90
19 6,01 5,81 5,78 5,91
20 6,09 5,84 5,79 5,93
21 6,04 6,12 5,79 5,95
22 6,07 5,86 5,85 5,96
23 6,05 6,15 5,85 5,93
24 6,07 5,84 5,86 5,95
25 6,13 5,97 5,88 5,97
26 6,06 5,94 5,94 5,92
27 6,12 5,87 5,95 5,88
28 6,09 6,01 5,92 5,86
29 6,11 6,00 5,99 5,87
30 6,13 6,01 6,02 5,92
31 6,10 5,96 6,25 5,95
32 6,13 6,00 6,29 5,96
33 6,14 6,08 5,92 5,97
34 6,15 6,01 6,23 6,01
35 6,14 6,01 6,37 6,02
36 6,13 6,60 6,29 6,05
37 6,16 6,61 6,24 6,06
38 6,14 6,21 6,25 6,08
39 6,12 6,18 6,24 6,09
40 6,10 6,14 6,23 6,10
41 6,12 6,27 6,27 6,12
42 6,14 6,20 6,21 6,14
43 6,16 6,18 6,23 6,15
44 6,14 6,16 6,24 6,16
45 6,12 6,17 6,15 6,18
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
y�= ��0,042x2�+ �0,999x �+ �0,262
y�= ��0.1016x2�+ �1.5881x���0.1348
y�= ��0,080x2�+ �1,334x �+ �0,148
y�= ��0,08x2�+ �1,1405x�+ �1,9106
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 2 4 6 8 10 12Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroCurva de tendencia (agua 1) Curva de tendencia (Agua 2)Curva de tendencia (Agua 3) Curva de tendencia suero
Gráfico B.6: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el período de
aireación para 1L de volumen y aireación alta.
Tabla B.37.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno usando agua como medio de cultivo según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 1 L y
aireación alta..
Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0745*X2+1,307*X+0,1816 Y= -0,08*X2 + 1,1405*X + 1,9106
Derivada de la función Y=-0,149*X+1,307 Y=-0,16*X+1,1405 Coeficiente de transferencia de
oxígeno (min-1) 0,149 0,16
Tabla A.38.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero
desgasificados con 2 L de volumen y aireación baja para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno
según el método estático.�
t (min) [O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2] suero,
ppm
0 0,45 0,77 0,63 1,43
1 0,70 1,21 0,69 1,66
2 0,63 2,97 0,80 2,81
3 0,78 2,48 0,89 3,88
4 0,85 1,95 0,96 4,22
5 1,03 1,94 1,02 4,58
6 1,48 1,99 1,25 4,80
7 1,36 2,17 2,49 4,92
8 1,65 2,40 2,64 5,06
9 1,71 2,57 2,86 5,18
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
10 1,84 2,60 3,09 5,26
11 2,12 2,84 3,59 5,30
12 2,05 2,95 3,69 5,35
13 2,31 3,04 4,39 5,40
14 2,34 3,10 4,19 5,46
15 2,40 3,41 4,06 5,52
16 2,38 3,37 4,18 5,58
17 2,37 3,51 4,12 5,63
18 2,68 3,47 4,10 5,69
19 2,60 3,66 4,20 5,76
20 2,69 3,95 4,13 5,82
21 2,82 3,93 4,08 5,89
22 2,97 4,03 4,15 5,93
23 3,21 4,12 4,34 5,98
24 3,56 4,01 4,58 6,14
25 3,34 4,27 4,57 6,26
26 3,40 4,25 4,56 6,35
27 3,35 4,39 4,52 6,39
28 3,57 4,36 4,60 6,44
29 3,40 4,41 4,65 6,47
30 3,76 4,53 4,70 6,48
31 3,77 4,69 4,68 6,50
32 3,87 4,76 4,51 6,50
33 3,97 4,78 5,07 6,55
34 4,12 5,08 5,01 6,56
35 4,08 5,04 4,98 6,57
36 3,99 5,02 4,94 6,58
37 4,04 4,98 4,96 6,59
38 4,31 4,92 4,97 6,62
39 4,42 4,97 5,18 6,63
40 4,68 4,96 5,16 6,65
41 4,10 5,15 5,24 6,61
42 4,47 5,08 5,26 6,68
43 4,60 5,12 5,24 6,69
44 4,60 5,08 5,27 6,70
45 4,71 5,14 5,31 6,71
46 4,75 5,17 5,36 6,72
47 5,39 5,13 5,36 6,75
48 5,35 5,14 5,19 6,75
49 5,59 5,19 5,20 6,62
50 5,53 5,21 5,48 6,58
51 5,58 5,21 5,49 6,55
52 5,57 5,28 5,41 6,56
53 5,59 5,27 5,45 6,57
54 5,53 5,29 5,52 6,58
55 5,52 5,31 5,49 6,60
56 5,60 5,32 5,26 6,61
57 5,51 5,26 5,38 6,64
58 5,28 5,29 5,26 6,65
59 5,70 5,37 5,55 6,65
60 5,49 5,32 5,52 6,66
61 5,47 5,41 5,52 6,67
62 5,47 5,27 5,55 6,66
63 5,63 5,35 5,53 6,67
64 5,60 5,32 5,54 6,67
65 5,53 5,47 5,59 6,67
66 5,58 5,54 5,61 6,67
67 5,60 5.,34 5,82 6,71
68 5,69 5,26 5,75 6,73
69 5,71 5,53 5,67 6,72
70 5,83 5,40 5,66 6,72
71 5,91 5,45 5,73 6,73
72 5,90 5,40 5,79 6,74
73 6,07 5,43 5,71 6,73
74 6,05 5,61 5,74 6,70
75 6,10 5,46 5,92 6,71
76 6,01 5,58 5,63 6,73
77 6,17 5,45 5,90 6,76
78 5,63 5,37 5,82 6,77
79 5,72 5,59 5,85 6,78
80 5,68 5,60 5,93 6,78
81 5,91 5,42 5,82 6,79
82 5,95 5,51 5,82 6,80
83 6,04 5,67 5,83 6,81
84 6,02 5,59 5,93 6,81
85 5,97 5,56 5,78 6,82
86 5,94 5,61 5,88 6,83
87 5,93 5,59 5,81 6,84
88 5,92 5,59 5,85 6,84
89 5,99 5,65 5,86 6,83
90 5,98 5,62 5,88 6,83
91 5,98 5,59 5,88 6,83
92 6,17 5,64 5,94 6,84
93 6,12 5,56 6,01 6,83
94 6,11 5,63 5,78 6,84
95 6,09 5,58 5,79 6,84
96 5,98 5,60 6,04 6,83
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-3
97 5,99 5,54 6,08 6,76
98 6,01 5,58 6,21 6,73
99 5,97 5,54 6,08 6,75
100 5,98 5,81 6,09 6,76
y�= ��0,001x2�+ �0,139x �+ �0,483
y�= ��0,001x2�+ �0,147x�+ �1,408
y�= ��0,003x2�+ �0,250x �+ �0,596
y�=��0,0065x2�+�0,3141x�+�2,4752
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 10 20 30 40 50Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroCurva de tendencia (Agua 1) Curva de tendencia (Agua 2)Curva de tendencia (Agua 3) Curva de tendencia (suero)
Gráfico B.7: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el período de
aireación para 2L de volumen y aireación baja.
Tabla B.39.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno usando agua como medio de cultivo según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 2 L y
aireación baja.
Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0017*X2+0,1787*X+0,829 Y= -0,0065*X2 + 0,3141*X + 2,4752
Derivada de la función Y=-0,0034*X+0,179 Y=-0,013*X+0,3141Coeficiente de transferencia de
oxígeno (min-1) 0,0034 0,013
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
Tabla A.40.- Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero
desgasificados con 2 L de volumen y aireación media para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno
según el método estático.�
t (min) [O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2]agua,
ppm[O2] suero,
ppm
0 0,57 0,66 0,92 0,56
1 0,86 2,16 1,19 4,26
2 2,20 3,16 2,80 4,50
3 1,84 3,28 3,49 4,26
4 1,75 3,44 3,67 4,85
5 3,69 4,58 3,86 5,10
6 4,14 4,45 4,41 5,24
7 4,29 4,37 4,39 5,39
8 4,51 4,34 4,52 5,49
9 4,56 4,56 4,69 5,58
10 4,46 4,65 4,77 5,68
11 4,98 4,56 4,71 5,74
12 5,06 4,69 4,89 5,78
13 5,03 4,63 5,01 5,83
14 4,99 4,97 5,06 5,88
15 5,23 5,17 5,11 5,91
16 5,57 5,21 4,95 5,92
17 5,68 5,28 5,12 5,91
18 5,13 4,39 5,10 5,95
19 5,46 4,81 5,10 5,98
20 5,43 4,77 5,19 6,00
21 5,65 5.,04 5,14 6,01
22 5,40 5,09 5,15 6,02
23 5,52 4,84 5,23 6,02
24 5,43 4,99 5,23 6,04
25 5,78 5,10 5,23 6,04
26 5,52 5,16 5,22 6,07
27 5,70 5,27 5,24 6,09
28 5,66 5,16 5,28 6,10
29 5,68 5,56 5,22 6,11
30 5,71 5,57 5,18 6,12
31 6,01 5,57 5,29 6,13
32 5,82 5,55 5,28 6,13
33 5.,90 5,39 5,25 6,14
34 6,02 5,24 5,30 6,15
35 6,00 5,34 5,29 6,16
36 5,67 5,29 5,23 6,17
37 6,05 5,26 5,29 6,18
38 6,18 5,40 5,27 6,18
39 5,93 5,35 5,31 6,19
40 5,84 5,62 5,27 6,20
41 5,80 5,55 5,25 6,20
42 5,87 5,58 5,27 6,04
43 6,06 5,65 5,36 6,06
44 6,09 5,72 5,40 6,08
45 5,99 5,71 5,30 6,11
46 6,33 5,74 5,38 6,13
47 5,98 5,76 5,41 6,15
48 6,01 5,78 5,39 6,14
49 5,98 5,84 5,44 6,15
50 6,05 5,87 5,44 6,16
51 6,31 5,91 5,59 6,10
52 6,21 5,96 5,39 6,08
53 5,72 6,02 5,37 6,11
54 6,40 6,02 5,52 6,12
55 6,12 5,87 5,48 6,15
56 6,15 5,91 5,39 6,16
57 5,82 5,90 5,44 6,19
58 6,17 6,13 5,39 6,20
59 6,27 5,93 5,47 6,21
60 6,00 5,87 5,43 6,20
61 6,11 5,91 5,41 6,20
62 6,01 5,93 5,43 6,23
63 6,16 5,94 5,45 6,23
64 5,99 6,01 5,50 6,24
65 6,01 5,66 5,51 6,26
66 6,15 5,76 5,50 6,30
67 6,14 6,20 5,44 6,30
68 6,08 6,31 5,49 632
69 6,29 6,30 5,46 6,32
70 6,27 5,73 5,49 6,34
71 5,80 5,97 5,52 6,35
72 5,93 5,97 5,45 6,35
73 6,20 6,02 5,54 637
74 6,18 6,01 5,49 6,38
75 6,17 5,94 5,42 6,39
76 5,89 5,96 5,48 6,40
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
77 5,87 5,94 5,50 6,41
78 5,92 5,97 5,50 6,39
79 5,98 5,98 5,52 6,40
80 5,96 5,98 5,50 6,28
81 5,97 6,06 5,62 6,27
82 5,94 6,04 5,52 6,26
83 5,89 6,05 5,59 6,28
84 5,91 6,08 5,57 6,25
85 5,91 6,07 5,54 6,27
86 5,91 5,96 5,67 6,29
87 5,92 5,93 5,58 6,30
88 5,95 5,93 5,60 6,35
89 6,19 6,05 5,58 6,36
90 6,12 6,09 5,53 6,37
91 6,15 6,27 5,61 6,38
92 6,17 6,04 5,67 6,37
93 6,10 5,94 5,60 6,39
94 6,04 6,18 5,59 6,37
95 6,00 6,20 5,53 6,37
96 6,08 6,15 5,62 6,37
97 6,24 6,09 5,59 6,40
98 6,13 6,06 5,69 6,42
99 6,12 6,24 5,71 6,39
100 5,96 6,29 5,88 6,42
.
y�= ��0,018x2�+ �0,604x�+ �0,573
y�= ��0,017x2�+ �0,484x�+ �1,722
y�= ��0,0167x2�+ �0,4752x �+ �2,7647
y�= ��0,0176x2�+ �0,5176x�+ �1,4709
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 5 10 15 20 25Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroCurva de tendencia (Agua 1) Curva de tendencia (Agua 2)Curva de tendencia (suero) Curva de tendencia (Agua 3)
Gráfico B.8: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el período de
aireación para 2L de volumen y aireación media.
Tabla B.41.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno usando agua como medio de cultivo según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 2 L y
aireación media.
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
. Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0175*X2+0,5352*X+1,255 Y= -0,0167*X2 + 0,4752*X + 2,7647
Derivada de la función Y=-0,0.35*X+0,535 Y=-0,1048*X+0,9127 Coeficiente de transferencia de oxígeno
(min-1) 0,035 0,1048
Tabla A.42: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para agua y el suero desgasificados
con 2 L de volumen y aireación alta para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el método
estático.�
t (min) [O2]agua 1, ppm
[O2]agua 2, ppm
[O2]agua 3, ppm
[O2]suero,ppm
0 0,93 0,71 0,79 0,66
1 1,25 1,32 1,29 4,84
2 1,58 1,78 1,81 5,04
3 2,86 2,63 2,59 5,65
4 3,45 3,46 3,21 6,12
5 3,68 3,96 3,49 6,17
6 4,67 4,44 3,67 6,20
7 4,53 4,59 3,98 6,23
8 4,76 4,67 4,21 6,25
9 4,84 4,72 4,68 6,27
10 5,10 4,96 4,81 6,28
11 5,19 5,08 4,95 6,30
12 5,30 5,21 5,12 6,33
13 5,40 5,36 5,26 6,35
14 5,50 5,41 5,31 6,37
15 5,54 5,58 5,46 6,38
16 5,56 5,54 5,50 6,40
17 5,64 5,61 5,56 6,38
18 5,78 5,68 5,73 6,42
19 5,83 5,74 5,78 6,43
20 5,85 5,77 5,61 6,45
21 5,88 5,83 5,71 6,47
22 5,95 5,84 5,73 6,47
23 6,49 5,89 5,76 6,49
24 5,91 5,91 5,84 6,51
25 5,96 5,94 5,89 6,51
26 5,99 5,96 5,94 6,52
27 5,99 6,02 5,98 6,53
28 5,89 6,02 6,00 6,54
29 6,29 6,17 6,12 6,55
30 6,29 6,08 6,06 6,56
31 6,03 6,14 6,19 6,57
32 5,98 6,11 6,16 6,55
33 6,11 6,12 6,17 6,56
34 6,07 6,17 6,19 6,58
35 6,12 6,16 6,11 6,58
36 6,06 6,17 6,12 6,52
37 6,19 6,18 6,17 6,51
38 6,16 6,06 6,03 6,49
39 6,17 5,99 5,98 6,49
40 6,19 6,12 6,11 6,53
41 6,06 6,17 6,19 6,53
42 5,99 6,20 6,21 6,52
43 6,08 6,23 6,23 6,54
44 6,04 6,16 6,24 6,56
45 6,06 6,15 6,31 6,58
46 6,16 6,18 6,27 6,58
47 6,11 6,17 6,29 6,59
48 6,12 6,20 6,27 6,61
49 6,17 6,21 6,28 6,62
50 6,10 6,19 6,28 6,59
51 6,17 6,15 6,27 6,56
52 6,13 6,17 6,30 6,58
53 6,32 6,20 6,31 6,58
54 6,28 6,21 6,30 6,52
55 6,27 6,20 6,29 6,51
56 6,30 6,23 6,31 6,49
57 6,31 6,25 6,29 6,49
58 6,27 6,26 6,24 6,53
59 6,29 6,28 6,27 6,53
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
60 6,27 6,29 6,30 6,52
61 6,28 6,29 6,31 6,54
62 6,31 6,31 6,27 6,56
63 6,30 6,29 6,29 6,58
64 6,29 6,24 6,31 6,58
65 6,31 6,27 6,30 6,59
66 6,34 6,30 6,29 6,61
67 6,30 6,31 6,31 6,51
68 6,29 6,30 6,24 6,52
69 6,31 6,29 6,28 6,53
70 6,29 6,31 6,29 6,54
71 6,24 6,27 6,28 6,55
72 6,28 6,29 6,33 6,52
73 6,29 6,31 6,21 6,51
74 6,33 6,30 6,25 6,49
75 6,34 6,29 6,24 6,49
76 6,34 6,24 6,27 6,53
77 635 6,27 6,30 6,58
78 6,.38 6,30 6,29 6,58
79 6,28 6,29 6,34 6,59
80 6,33 6,33 6,31 6,61
81 6,21 6,34 6,21 6,62
82 6,25 6,34 6,26 6,59
83 6,34 6,35 6,30 6,53
84 6,31 6,38 6,29 6,52
85 6,21 6,34 6,31 6,54
86 6,26 6,34 6,29 6,56
87 6,30 6,36 6,24 6,51
88 6,35 6,39 6,28 6,49
89 6,29 6,37 6,28 6.,49
90 6,29 6,36 6,29 6,53
91 6,41 6,34 6,33 6,58
92 6,38 6,30 6,34 6,58
93 6,30 6,31 6,34 6,59
94 6,30 6,29 6,35 6,61
95 6,31 6,31 6,38 6,51
96 6,32 6,29 6,34 6,52
97 6,31 6,24 6,30 6,53
98 6,40 6,28 6,30 6,53
99 6,38 6,32 6,31 6,53
100 6,36 6,34 6,34 6,52
�
�
y�= ��0,0188x2�+ �0,6012x �+ �1,0028
y�= ��0,0188x2�+ �0,5973x �+ �0,9856
y�= ��0,0156x2�+ �0,5423x�+ �0,9423
y�= ��0,0196x2�+ �0,5127x�+ �3,4391
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 5 10 15 20 25Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Agua 1 Agua 2Agua 3 SueroCurva de tendencia (Agua 1) Curva de tendencia (Agua 2)Curva de tendencia (Agua 3) Curva de tendencia (suero)
Gráfico B.9: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el período de
aireación para 2L de volumen y aireación alta.
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
Tabla B.43.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno usando agua como medio de cultivo según el método estático tomando un volumen de medio de cultivo de 2 L y
aireación alta.
Promedio para el agua Para el suero
Función de tendencia Y=-0,0177*X2+0,5803*X+0,9769 Y= -0,0196*X2 + 0,5127*X + 3,4391
Derivada de la función Y=-0,0354*X+0,5803 Y=-0,0392*X+0,5127 Coeficiente de transferencia de oxígeno
(min-1) 0,0354 0,0392
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-3
B.3.- Datos recopilados y gráficos realizados para la realización del método dinámico de
Humphrey.
Tabla A.44: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación
con 300 mL de volumen y aireación baja para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el
método dinámico de Humphrey.�
t (min) [O2] leído,
ppm Regresiones
0 5,73 5,73
1 5,70 5,73
2 5,81 5,74
3 5,76 5,75
4 5,77 5,75
5 5,65 5,76
6 5,76 5,76
7 5,77 5,77
8 5,78 5,78
9 5,80 5,78
(*)10 5,80 5,79
11 5,69 5,90
12 5,50 5,46
13 5,11 5,01
14 4,86 4,57
15 4,12 4,12
16 3,65 3,68
17 3,02 3,23
18 2,75 2,79
19 2,34 2,34
(**)20 1,96 1,90
21 2,36 2,44
22 3,43 3,24
23 3,92 3,93
24 4,19 4,50
25 4,89 4,95
26 5,68 5,30
27 5,32 5,52
28 5,41 5,40
29 5,38 5,40
30 5,41 5,40
31 5,39 5,40
32 5,39 5,39
33 5,42 5,39
34 5,38 5,39
35 5,40 5,39
36 5,36 5,39
37 5,38 5,39
38 5,39 5,39
39 5,42 5,38
40 5,37 5,38
(*) Se detuvo la aireación al sistema
(**) Se reinició la aireación al sistema
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Datos experimentales Líneas de tendencia
�
Gráfico B.10: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 300 mL de volumen de medio de cultivo y aireación baja para la realización del método de Humphrey.
Tabla B.45.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 300 mL y aireación baja.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t= min hasta t=10 min Y = 0,0061*xX+ 5,7268 - -
Desde t=10 min hasta t=20 min Y = -0,4453*X + 10,803 - -
Desde t=20 min hasta t=27 min Y= -0,057*X2 + 3,2496*X - 40,662 dY/dX=-0,114*X+3,2496 8,7719298
Desde t=28 min hasta t=40 min y = -0,0013x + 5,4353 - -
Tabla A.46: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación
con 300 mL de volumen y aireación media para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el
método dinámico de Humphrey.�
t(min) [O2] ppm Regresiones
0 6,33 6,38
1 6,40 6,39
2 6,38 6,41
3 6,46 6,42
4 6,47 6,43
5 6,45 6,44
6 6,46 6,45
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
7 6,48 6,47
8 6,50 6,48
9 6,46 6,49
(*)10 6,47 6,50
11 5,79 5,96
12 5,38 5,25
13 4,76 4,53
14 4,06 3,82
15 3,17 3,11
16 2,39 2,40
(**)17 1,42 1,69
18 2,13 2,33
19 3,31 3,24
20 4,10 4,01
21 4,23 4,63
22 5,46 5,12
23 5,55 5,46
24 5,62 5,67
25 5,68 5,73
26 5,70 5,69
27 5,72 5,70
28 5,77 5,72
29 5,65 5,74
30 5,76 5,76
31 5,77 5,78
32 5,78 5,79
33 5,80 5,81
34 5,80 5,83
35 6,02 5,85
36 6,04 5,86
37 5,87 5,88
38 5,84 5,90
39 5,92 5,92
40 5,94 5,93
�
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25 30 35 40Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Datos experimentales Líneas de tendencia�
Gráfico B.11: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 300 mL de volumen de medio de cultivo y aireación media para la realización del método de
Humphrey.
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
Tabla B.47.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 300 mL y aireación media.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t=0 min hasta t=10 min y = 0,0121x + 6,3814 - -
Desde t=10 min hasta t=17 min y = -0,7105x + 13,771 - -
Desde t=17 min hasta t=23 min y = -0,0703x2 + 3,5081x - 38,036 dY/dX=-0,1406*X+3,5081 7,1123755
Desde t=23 min hasta t=40 min y = 0,0177x + 5,2263 - -
Tabla A.48: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación
con 300 mL de volumen y aireación alta para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el
método dinámico de Humphrey.�
t(min) [O2] ppm Regresiones
0 7,20 7,21
1 7,19 7,21
2 7,17 7,20
3 7,18 7,19
4 7,19 7,18
5 7,31 7,18
6 7,20 7,17
7 7,18 7,16
8 7,21 7,15
9 6,84 7,15
(*)10 7,19 7,14
11 7,22 7,13
12 6,29 6,03
13 4,81 4,76
14 3,12 3,49
15 2,19 2,21
(**)16 1,10 0,94
17 3,42 3,39
18 5,34 5,00
19 6,21 6,12
20 6,43 6,76
21 6,55 6,90
22 6,82 6,55
23 6,56 6,64
24 6,58 6,65
25 6,54 6,66
26 6,41 6,68
27 7,08 6,69
28 6,77 6,70
29 6,65 6,72
30 6,74 6,73
31 6,64 6,75
32 6,70 6,76
33 6,81 6,77
34 6,79 6,79
35 6,82 6,80
36 6,84 6,82
37 6,87 6,83
38 6,81 6,84
39 6,90 6,86
40 6,83 6,87
�
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 10 20 30 40Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Datos experimentales Líneas de tendencia�
Gráfico B.12: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 300 mL de volumen de medio de cultivo y aireación alta para la realización del método de Humphrey.
Tabla B.49.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 300 mL y aireación alta.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t=0 min hasta t=10 min y = -0,0073x + 7,2133 - -
Desde t=10 min hasta t=16 min y = -1,274x + 21,321 - -
Desde t=16 min hasta t=22 min y = -0,2446x2 + 10,172x - 98,845 dY/dX=-0,4892*X+10,172 2,0441537
Desde t=20 min hasta t=40 min y = 0,0138x + 6,3183 - -
�
Tabla A.50: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación
con 1 L de volumen y aireación baja para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el método
dinámico de Humphrey.�
t(min) [O2] ppm Regresiones
0 5,75 5,73
1 5,70 5,73
2 5,72 5,74
3 5,75 5,74
4 5,77 5,75
5 5,76 5,75
6 5,76 5,75
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
7 5,77 5,76
8 5,78 5,76
9 5,80 5,77
(*)10 5,80 5,77
11 5,73 5,77
12 5,65 5,69
13 5,50 5,30
14 5,12 4,90
15 4,76 4,51
16 4,06 4,11
17 3,68 3,72
18 3,09 3,32
19 2,89 2,93
(**)20 2,98 3,03
21 3,09 3,31
22 3,43 3,57
23 3,92 3,81
24 4,12 4,03
25 4,35 4,24
26 4,48 4,43
27 4,65 4,61
28 4,69 4,77
29 4,90 4,91
30 4,91 5,03
31 5,12 5,14
32 5,36 5,23
33 5,32 5,30
34 5,37 5,36
35 5,40 5,41
36 5,43 5,44
37 5,51 5,45
38 5,44 5,44
39 5,47 5,42
40 5,46 5,39
41 5,44 5,48
42 5,44 5,48
43 5,45 5,48
44 5,55 5,48
45 5,53 5,48
46 5,54 5,49
47 5,54 5,49
48 5,56 5,49
49 5,56 5,49
50 5,52 5,49
51 5,53 5,49
52 5,55 5,49
53 5,55 5,49
54 5,54 5,49
55 5,56 5,49
56 5,56 5,50
57 5,55 5,50
58 5,52 5,50
59 5,56 5,50
60 5,53 5,50
61 5,51 5,50
62 5,54 5,50
63 5,53 5,50
64 5,52 5,50
65 5,51 5,50
66 5,51 5,51
67 5,52 5,51
68 5,53 5,51
69 5,52 5,51
70 5,53 5,51
�
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Datos �experimentales L íneas �de�tendenc ia�
Gráfico B.13: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 1 L de volumen de medio de cultivo y aireación baja para la realización del método de Humphrey.
Tabla B.51.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 1 L y aireación baja.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t=0 min hasta t=10 min y = 0,0049x + 5,7308 - -
Desde t=10 min hasta t=20 min y = -0,3957x + 10,433 - -
Desde t=20 min hasta t=35 min y = -8,16E-03x2 + 6,09E-01x - 5,88 dY/dX=-0,01632*X+0,608 61,27
Desde t=35 min hasta t= 40min y = 0,0012x + 5,4593 - -
�
Tabla A.4: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación con
1 L de volumen y aireación media para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el método
dinámico de Humphrey.�
t(min) [O2] ppm Regresiones
0 5,37 5,35
1 5,3 5,37
2 5,37 5,38
3 5,41 5,39
4 5,42 5,41
5 5,52 5,42
6 5,45 5,43
7 5,42 5,44
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
8 5,39 5,46
9 5,41 5,47
(*)10 5,52 5,48
11 5,52 5,50
12 4,01 4,15
13 3,53 3,96
14 3,34 3,77
15 3,22 3,58
16 3,09 3,39
17 3,01 3,21
18 2,96 3,02
19 2,89 2,83
20 2,83 2,64
21 2,75 2,45
22 2,68 2,27
(**)23 1,83 2,08
24 1,99 1,78
25 1,91 2,07
26 1,94 2,34
27 2,34 2,59
28 2,69 2,84
29 3,14 3,06
30 3,29 3,27
31 3,41 3,47
32 3,52 3,66
33 3,65 3,82
34 3,81 3,98
35 3,98 4,12
36 4,09 4,25
37 4,25 4,36
38 4,31 4,46
39 4,39 4,55
40 4,42 4,62
41 4,44 4,68
42 4,49 4,73
43 4,5 4,77
44 4,51 4,79
45 4,54 4,80
46 4,65 4,79
47 4,66 4,66
48 4,67 4,65
49 4,67 4,64
50 4,69 4,63
51 4,68 4,62
52 4,61 4,61
53 4,59 4,60
54 4,53 4,59
55 4,52 4,58
56 4,53 4,58
57 4,54 4,57
58 4,54 4,56
59 4,47 4,55
60 4,53 4,54
61 4,56 4,53
62 4,55 4,52
63 4,53 4,51
64 4,52 4,50
65 4,5 4,49
66 4,49 4,49
67 4,46 4,48
68 4,48 4,47
69 4,49 4,46
70 4,46 4,45
�
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-1
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to (p
pm)
Datos experimentales Líneas de tendencia�
Gráfico B.14: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 1 L de volumen de medio de cultivo y aireación media para la realización del método de Humphrey.
Tabla B.52.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 1 L y aireación media.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t=0 min hasta t=10 min y = 0,0131x + 5,3531 - -
Desde t=10 min hasta t=23 min y = -0,1881x + 6,4019 - -
Desde t=23 min hasta t=43 min y = -0,007x2 + 0,6155x - 9,0466 dY/dX=-0,014*X+0,615 71,429
Desde t=43 min hasta t=70 min y = -0,009x + 5,0792 - -
Tabla A.53: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación
con 1 L de volumen y aireación alta para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el método
dinámico de Humphrey.�
t(min) [O2] ppm Regresiones
0 5,38 5,33
1 5,39 5,33
2 5,42 5,34
3 5,18 5,35
4 5,36 5,35
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
5 5,22 5,36
6 5,36 5,37
7 5,38 5,37
8 5,45 5,38
9 5,46 5,39
(*)10 5,39 5,40
11 4,93 4,54
12 4,73 4,31
13 4,22 4,08
14 4,03 3,86
15 3,79 3,63
16 3,52 3,41
17 3,30 3,18
18 2,98 2,95
19 2,83 2,73
20 2,64 2,50
21 2,57 2,28
22 2,39 2,05
(**)23 2,21 1,82
24 2,39 2,22
25 2,41 2,48
26 2,74 2,73
27 2,95 2,97
28 3,19 3,20
29 3,29 3,41
30 3,49 3,60
31 3,76 3,79
32 3,83 3,96
33 4,19 4,11
34 4,32 4,26
35 4,52 4,39
36 4,59 4,50
37 4,61 4,60
38 4,73 4,69
39 4,76 4,77
40 4,83 4,83
41 4,86 4,87
42 4,87 4,91
43 4,89 4,93
44 4,90 4,93
45 4,91 4,92
46 4,93 4,90
47 4,69 4,87
48 4,71 4,87
49 4,82 4,87
50 5,08 4,87
51 4,95 4,86
52 4,96 4,86
53 5,02 4,86
54 4,98 4,86
55 4,96 4,86
56 4,95 4,86
57 4,93 4,86
58 4,93 4,86
59 4,93 4,86
60 4,90 4,86
61 4,81 4,86
62 4,85 4,86
63 4,86 4,86
64 4,88 4,86
65 4,79 4,86
66 4,81 4,85
67 4,82 4,85
68 4,81 4,85
69 4,79 4,85
70 4,77 4,85
�
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-1
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Datos �experimentales L íneas �de�tendenc ia�
Gráfico B.15: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 1 L de volumen de medio de cultivo y aireación alta para la realización del método de Humphrey.
Tabla B.54 Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno
según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 1 L y aireación alta.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t=0 min hasta t=10 min y = 0,0075x + 5,3255 - -
Desde t=10 min hasta t=23 min y = -0,2266x + 7,0218 - -
Desde t=23 min hasta t=38 min y = -6,835E-03x2 + 6,006E-01x - 8,262 dY/dX=-0,1367*X+0,6006 73,153
Desde t=30 min hasta t=70 min y = -3,75E-03x + 5,09 - -
Tabla A.55: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación
con 2 L de volumen y aireación baja para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el método
dinámico de Humphrey.�
t(min) [O2]ppm Regresiones
0 6,45 6,40
1 6,42 6,38
2 6,38 6,37
3 6,69 6,35
4 6,06 6,33
5 6,09 6,31
6 6,09 6,30
7 6,33 6,28
8 6,28 6,26
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
9 6,08 6,24
(*)10 6,30 6,23
11 6,27 6,21
12 6,64 6,19
13 6,21 6,17
14 6,04 6,16
15 5,98 6,14
16 5,97 5,66
17 5,88 5,40
18 5,62 5,14
19 5,24 4,88
20 4,79 4,62
21 4,40 4,36
22 4,03 4,10
23 3,66 3,84
24 3,36 3,58
25 3,09 3,33
26 2,84 3,07
27 2,60 2,81
28 2,38 2,55
29 2,17 2,29
(**)30 1,94 2,03
31 1,74 1,77
32 2,06 2,54
33 2,83 3,00
34 3,86 3,42
35 4,20 3,80
36 4,57 4,15
37 4,81 4,46
38 4,89 4,74
39 5,03 4,99
40 5,18 5,20
41 5,26 5,37
42 5,30 5,51
43 5,35 5,62
44 5,40 5,69
45 5,46 5,72
46 5,52 5,73
47 5,58 5,69
48 5,63 5,62
49 5,69 5,52
50 5,76 5,38
51 5,82 5,93
52 5,89 5,93
53 5,98 5,93
54 5,94 5,93
55 5,94 5,93
56 5,86 5,93
57 5,95 5,93
58 5,99 5,93
59 5,94 5,93
60 5,97 5,93
61 5,98 5,93
62 5,90 5,93
63 5,90 5,93
64 5,95 5,93
65 5,96 5,93
66 5,97 5,93
67 5,98 5,93
68 5,99 5,93
69 5,82 5,93
70 5,83 5,93
�
�
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-1
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Datos �experimentales � L íneas �de�tendenc ia�
Gráfico B.16: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 2 L de volumen de medio de cultivo y aireación baja para la realización del método de Humphrey.
�
Tabla B.56.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 2 L y aireación baja.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t=0 min hasta t=10 min y = -1,75E-02x + 6,40 - -
Desde t=10 min hasta t= 30min y = -0,259x + 9.8 - -
Desde t=30 min hasta t= 51min y = -1,742E-02x2 + 1,586x - 3,037E+01 dY/dX=-0,03484*X+1,586 28,702
Desde t=51 min hasta t= 70min y = 2,556E-04x + 5,913 - -
Tabla A.57: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación
con 2 L de volumen y aireación media para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el método
dinámico de Humphrey.�
t(min) [O2] ppm Regresiones
0 6,21 6,20
1 6,28 6,18
2 6,28 6,17
3 6,18 6,15
4 6,04 6,14
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
5 6,05 6,12
6 6,03 6,11
7 6,04 6,09
8 5,99 6,07
9 5,98 6,06
(*)10 6,08 6,04
11 6,06 6,03
12 6,09 6,01
13 6,03 6,00
14 6,01 5,98
15 5,67 5,89
16 5,55 5,58
17 5,42 5,28
18 5,39 4,98
19 4,99 4,67
20 4,40 4,37
21 4,25 4,07
22 3,87 3,76
23 3,40 3,46
24 3,09 3,16
25 2,89 2,86
26 2,57 2,55
27 2,17 2,25
28 1,68 1,95
(*)29 1,92 1,96
30 2,30 2,37
31 2,46 2,75
32 3,01 3,11
33 3,25 3,45
34 3,67 3,77
35 4,50 4,07
36 4,24 4,35
37 4,87 4,61
38 5,07 4,84
39 5,21 5,06
40 5,36 5,25
41 5,39 5,42
42 5,55 5,57
43 5,67 5,70
44 5,72 5,81
45 5,78 5,90
46 5,83 5,96
47 5,85 6,01
48 5,89 6,03
49 5,91 6,03
50 5,91 6,02
51 5,95 5,98
52 5,93 5,91
53 5,92 5,83
54 5,93 5,73
55 5,91 5,93
56 5,93 5,93
57 5,94 5,93
58 5,96 5,93
59 5,94 5,93
60 5,93 5,93
61 5,91 5,94
62 5,91 5,94
63 5,92 5,94
64 5,96 5,94
65 5,94 5,94
66 5,99 5,94
67 5,93 5,94
68 5,92 5,95
69 5,96 5,95
70 5,95 5,95
�
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-1
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Datos �experimentales L íneas �de�tendenc ia�
Gráfico B.17: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 2 L de volumen de medio de cultivo y aireación media para la realización del método de Humphrey.
�
Tabla B.58.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 2 L y aireación media.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t=0 min hasta t=10 min y = -1,568E-02x + 6,200 - -
Desde t=10 min hasta t=29 min y = -3,105E-01x + 1,061E+01 - -
Desde t=29 min hasta t=46 min y = -1,057E-02x2 + 1,028*x - 1,896E+01 dY/dX=-0,02114*X+1,028 47,30369
Desde t=46 min hasta t=70 min y = 1,559E-03x + 5,840 - -
Tabla A.59: Datos experimentales de concentración de oxígeno en función del tiempo para el sistema de fermentación
con 2 L de volumen y aireación alta para la determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno según el método
dinámico de Humphrey.�
t(min) [O2] ppm Regresiones
0 6,28 6,29
1 6,31 6,29
2 6,32 6,29
3 6,25 6,29
4 6,26 6,28
5 6,25 6,28
6 6,33 6,28
7 6,27 6,28
8 6,32 6,27
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
9 6,26 6,27
(*)10 6,29 6,27
11 6,23 6,27
12 5,89 5,66
13 5,60 5,22
14 4,89 4,78
15 4,09 4,35
16 3,67 3,91
17 3,08 3,47
18 2,78 3,04
19 2,41 2,60
20 2,11 2,17
21 1,94 1,73
(**)22 1,74 1,29
23 2,24 2,28
24 2,68 2,69
25 2,94 3,08
26 3,26 3,44
27 3,51 3,78
28 4,16 4,10
29 4,73 4,39
30 5,12 4,67
31 5,32 4,92
32 5,26 5,15
33 5,35 5,36
34 5,74 5,55
35 5,76 5,71
36 5,84 5,85
37 5,92 5,97
38 5,79 6,07
39 5,86 6,14
40 5,89 6,20
41 5,92 6,23
42 6,15 6,24
43 6,15 6,23
44 6,18 6,19
45 6,22 6,13
46 6,23 6,05
47 6,25 6,20
48 6,23 6,20
49 6,18 6,20
50 6,17 6,20
51 6,19 6,19
52 6,20 6,19
53 6,15 6,19
54 6,16 6,18
55 6,12 6,18
56 6,18 6,18
57 6,20 6,18
58 6,19 6,17
59 6,17 6,17
60 6,15 6,17
61 6,13 6,16
62 6,14 6,16
63 6,17 6,16
64 6,21 6,16
65 6,16 6,15
66 6,12 6,15
67 6,13 6,15
68 6,15 6,14
69 6,19 6,14
70 6,21 6,14
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-1
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0 10 20 30 40 50 60 70Tiempo (min)
Con
cent
raci
ón d
e ox
ígen
o di
suel
to
(ppm
)
Datos �experimentales L íneas �de�tendenc ia�
Gráfico B.18: Representación esquemática de la concentración de oxígeno disuelto en una solución durante el proceso
fermentativo para 2 L de volumen de medio de cultivo y aireación alta para la realización del método de Humphrey.
�
Tabla B.60.- Funciones de tendencia y sus respectivas derivadas para el cálculo del coeficiente de transferencia de
oxígeno según el método dinámico de Humphrey tomando un volumen de medio de cultivo de 2 L y aireación alta.
Zonas estudiadas
Funciones de tendencia Derivada de la función Coeficiente de transferencia de oxígeno (min-1)
Desde t=0 min hasta t=10 min y = -2,413E-03x + 6,294 - -
Desde t=10 min hasta t=22 min y = -4,362E-01x + 1,089E+01 - -
Desde t=22 min hasta t=44 min y = -1,106E-02x2 + 9,271E-01x - 1,319E+01 dY/dX=-2,036E-2*X+8,742E-1 49,115914
Desde t=44 min hasta t=70 min y = -0,0028x + 6,3353 - -
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-2
B.4.- Datos recopilados y gráficos realizados para la determinación de la salinidad del
suero.
Tabla A.9: Datos de las soluciones salinas preparadas y su conductividad eléctrica medida para la
determinación de la salinidad del suero de leche
masa NaCl(g) Volumen de enrase (mL) Concentración de sal (g NaCl/mL) Conductividad (mS)
0 100 0 1,00
0,1054 100 0,001054 3,25
0,2033 100 0,002033 6,07
0,3087 100 0,003087 9,06
0,4037 100 0,004037 11,63
0,506 100 0,00506 14,5
y�= �0,001x���0,001
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 1 2 3 4 5 6 7
Concentración de NaCl (g/mL)
Con
duct
ivid
ad (m
S)
Datos �recopilados L ínea�de�tendenc ia�obtenida
Gráfico A.7: Representación gráfica del comportamiento de la concentración de sales presentes en el suero en función de
la conductividad eléctrica
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-3
Tabla B.61: Conductividad eléctrica medida para suero utilizado en cada experiencia y concentración de sales
calculada.
Volumen de medio Aireación Conductividad (mS) Concentración de NaCl (g/mL)
300 mL
Baja 9,34 3,194
Media 9,75 3,345
Alta 9,68 3,319
1 L
Baja 9,09 3,101
Media 9,13 3,116
Alta 9,16 3,127
2 L
Baja 10,01 3,441
Media 9,87 3,389
Alta 9,79 3,360
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-4
B.5.- Datos recopilados y obtenidos para la determinación del contenido de glucosa y
lactosa en las muestras de suero.
Tabla B.62: Datos experimentales de absorbancia de las muestras inicial y final en los diferentes procesos fermentativos
Volumen del medio y aireación Muestra
Absorbancia en la
muestra de lactosa
Concentración calculada de
lactosa (%m/V)
Absorbancia en la
muestra de glucosa
Concentración calculada de
glucosa(%m/V)
300 mL baja
Inicial 0,238 5,336 1,269 5,795
Final 0,809 1,570 0,032 0,147
300 mL media
Inicial 0,247 5,142 0,995 4,544
Final 0,856 1,484 0,026 0,117
300 mL alta
Inicial 0,249 5,100 1,175 5,366
Final 0,989 1,284 0,012 0,055
1 L baja
Inicial 0,252 5,040 1,116 5,096
Final 0,408 3,113 0,936 4,274
1 L media
Inicial 0,263 4,829 1,121 5,119
Final 0,640 1,984 0,836 3,818
1 L alta
Inicial 0,257 4,942 1,098 5,0142
Final 0,697 1,822 0,294 1,343
2 L baja
Inicial 0,251 5,060 1,21 5,526
Final 0,625 2,032 0,929 4,242
2 L media
Inicial 0,253 5,020 1,158 5,288
Final 0,480 2,646 0,884 4,037
2 L alta
Inicial 0,257 4,942 1,173 5,357
Final 0,533 2,383 0,865 3,950
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-5
B.6.- Datos recopilados y obtenidos para la calibración del rotámetro y el cálculo de las
aireaciones suministradas para los distintos volúmenes de medio de cultivo
Tabla B.-63: Datos recopilados y cálculos realizados para la calibración del rotámetro utilizado en las experiencias de 1 l
y 2 l
Altura del flotador
Presión de salida (psi)
Velocidad del aire (m/s)
Diámetro (cm)
Area transversal (m¨2)
Caudal de aire (m^3/s)
Caudal de aire (ml/min)
1 4 0,37 0,59 2,73E-05 1,01157E-05 606,94 1,5 5 0,55 0,59 2,73E-05 1,50369E-05 902,21 2 5,3 0,91 0,59 2,73E-05 2,48792E-05 1492,72
2,5 5,5 1,31 0,59 2,73E-05 3,58151E-05 2148,91 3 6 1,48 0,59 2,73E-05 4,04629E-05 2427,77
Tabla A.3: Altura de flotador del rotámetro necesaria para obtener las aireaciones del sistema de fermentación
en estudio, para un volumen de 1 l de medio de cultivo.
y = 1,24E+03x - 9,39E+02
R2 = 9,81E-01
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 1 2 3 4 5 6Altura del flotador
Cau
dal (
ml/
min
)
calibración de rotámetro pequeño Regresión lineal�
Gráfico A.1: Calibración del rotámetro utilizado para las experiencias de 1 l y 2 l y su regresión lineal.
�Determinación del coeficiente de transferencia de oxígeno y su influencia en el escalado de biorreactores
________________________________________________________________________________________________________________
APÉNDICE B
B.-6
Tabla A.3: Altura de flotador del rotámetro necesaria para obtener las aireaciones del sistema de fermentación
en estudio, para un volumen de 1 l de medio de cultivo.
Altura del flotador Presión de salida (psi)
Caudal de aire (ml/min)
Aireación(V.V.M )
1 4 306 0,3
1,2 4,5 553 0,5
1,5 5 924 1
Tabla A.4: Altura de flotador del rotámetro necesaria para obtener las aireaciones del sistema de fermentación
en estudio, para un volumen de 2 l de medio de cultivo.
Altura rotámetro Presión de salida (psi) Caudal de aire (ml/min) Aireación (V.V.M)
1,2 4,5 553 0,3
1,6 5 1048 0,5
2,5 5,2 2160 1
Tabla A.5: Caudal de aire necesario para obtener las aireaciones del sistema de fermentación en estudio, para
un volumen de 300 ml de medio de cultivo.
Presión de salida (psi) Caudal de aire
(ml/min) Aireación(V.V.M)
2 96 0,3
2,5 159 0,5
3 312 1