Mezclas gas-liquido: consideraciones físicas. Chemical engineering

Los reactores gas-liquido representan una disminución en los costos de operación, por lo que optimizar el mezclado y maximizar su productividad son putos importantes.

Demandas físicas del mezclado

Para que se lleve a cabo una reacción gas-líquido, un gas comprensible de baja densidad debe ser disperso dentro de un líquido mucho más denso con un tiempo de contacto largo. Se debe inducir una turbulencia grande dentro de la fase liquida para  ayudar a que la reacción se lleve a cabo y aumente la transferencia de masa. Además, se requiere de movimiento rápido dentro de la fase liquida en superficies transferencia de calor, para lo que se utilizan los agitadores.

Los reactores gas-líquido consisten en recipientes de alta presión con alimentación y escape de gas, alimentación y salida de líquido, transferencia de calor, intercambiadores de calor y reguladores, así como agitación.

Existen dos tipos de reactores gas-líquido, los que contienen alimentación de gas puro, y los que contienen gas con una fracción de gases inertes además del reactivo. Por lo regular utiliza un catalizador. El área de especificidad del catalizador se refiere a que la reacción está limitada por el transporte del gas a través de la fase liquida. Esta transferencia de masa se obtiene mediante la siguiente ecuación:

m = kLa(c* - c)

• c: concentración actual del gas disuelto
• c*: concentración teórica de equilibrio del gas disuelto
• kL: coeficiente de transferencia de masa
• a: área especifica

kL depende de las propiedades físicas de los reactivos. (a) depende de las propiedades de los materiales. (a) y el termino (c*-c) son sensibles a los cambios en diseño.

El uso de un gas en estado puro aumenta la eficiencia del proceso, pero la presencia de solventes la reduce. Incrementar la presión mejora la productividad, pero aumentar  las presiones significan mayores costos. Se debe buscar optimizar el valor de kLa y de la presión para mejorar la productividad al menor costo.

Gases con componentes inertes

• ·        El rango de transferencia de masa es sensible a la concentración de fuerzas motrices.
• ·        No es posible consumir 100% de su oxigeno por lo que los reactores operan con este compuesto estequiometricamente en exceso.
• ·         La presión de oxigeno cambia de la fase de gas disperso a cuando es consumido.
• ·         La transferencia de masa no se puede incrementar recirculando gas.
• ·         El gas reactante se debe suministrar en exceso.
• ·         Debido a la pérdida de la capacidad de transferencia de masa se requieren reactores más grandes.

Agitadores para altas cantidades de gas

En estos casos se requiere una combinación de agitadores, tales como las turbinas de disco de punta plana (FBDTs), turbinas de punta de propela (PBTs) y agitadores de lámina. Actualmente se utilizan agitadores con formas cóncavas. La alimentación del gas puede ser dispersada dentro de la fase liquida utilizando un dispersador primario (PD), o uno o más dispersadores secundarios (SD). Los agitadores cóncavos de los tipos PD/SD son mucho más efectivos.

Artículo 2.-

Una línea de catalizadores con bajo porcentaje de metales poco comunes de la tierra

Se ha comercializado una línea de catalizadores y aditivos que ayudan al rompimiento de fluidos (FCC). Estos catalizadores se utilizan para procesar residuos de combustible líquido, así como para aditivos para el tratamiento de sulfuros.

Estos productos se distinguen de los convencionales debido a que no incluyen metales poco comunes, además de que tienen una alta selectividad.

Un reactor de flujo de vidrio ahora disponible en cerámica.

El llamado reactor de cerámica G4 tiene una capacidad de volumen interno arriba de los 6 litros y tiene una capacidad de procesamiento de más de 300 kg/h, además posee una conductividad térmica mayor. Puede operar a temperaturas de -25 a 200°C, y a presiones arriba de 18 barg.

Finlandia se convierte en el hogar de una gran planta de bio-gasificacion

La planta de gasificación ubicada en Finlandia convierte la biomasa en biogás que puede ser quemado con carbón. Esto reemplazará del 25-40% del carbón que se utiliza actualmente por energía renovable, reduciendo las emisiones de CO₂.

La biomasa pre-tratada primero es secada y después alimentada a un ventilador, gasificador de circulación de fluido (CFB), el cual opera alrededor de 850°C y se encuentra cerrado a la presión atmosférica, y gasifica la biomasa en biogás.

Artículo 1.-

Un proceso continuo que promete bajar los costos de producción de bioetanol

El proceso llamado CCSSF (fermentación consolidada, continua en estado sólido) utiliza equipo que puede ser instalado cerca del tratamiento de la biomasa. En este sistema el caldo de biomasa, las enzimas y la levadura son continuamente fermentadas en un tambor rotatorio. El vapor de etanol generado es removido continuamente y condensado en una solución acuosa del 30-40%. En pruebas de laboratorio, se observa un rendimiento del 93% de etanol (87 g de etanol por cada 165 g de almidón). Además se ha demostrado que los materiales celulósicos se pueden utilizar como materias primas.

CCSSF no requiere de equipos separados para la sacarificación y fermentación, además se elimina en tratamiento de aguas, generando solo residuos composteables. Con este proceso se espera reducir el costo de producción de etanol.

Ruta de un paso a etanol celulósico caracteriza una levadura Multi-tarea

Se trata de un proceso de pre-tratamiento para la producción de bioetanol a partir de celulosa y no celulosa. El proceso utiliza un líquido iónico (el cual convierte la celulosa en gel) y una levadura modificada por ingeniería genética que rompe la celulosa en azucares fermentables utilizando múltiples enzimas, para después fermentarlas en etanol. Este proceso se lleva acabo a bajas temperaturas (100° C). Se busca utilizar temperaturas mucho más bajas probando diferentes líquidos iónicos.

Residuos Waelz usados en ladrillos de cerámica comerciales

Se han producido ladrillos de cerámica con una mezcla del 20 y 30% de arcilla con residuos, y se ha encontrado que esto no tiene efecto en las características físicas, mecánicas y químicas del producto. Se comienzan a ver efectos incorporando arriba del 30% de residuos.

El proceso Waelz es una tecnología comercial utilizada para recuperar metales volátiles a partir de hornos eléctricos. Esto genera una mezcla de ZnO y PbO, así como residuos, los componentes no volátiles del polvo. Deshacerse de estos desechos representa un problema ambiental. Por lo que utilizar estos desechos para la elaboración de ladrillos ayuda al medio ambiente, además de disminuir costos de producción.

Para laborar los ladrillos se pre-tratan los residuos para reducir el tamaño de las partículas y homogenizarlas. Después se mezcla la arcilla con agua y los residuos y finalmente de le da la forma de ladrillo.

Transferencia de calor para fermentaciones a grandes escalas

Hoy en día algunos compuestos químicos basados en biotecnología se requieren en cantidades muy grandes, por lo que es necesario desarrollar la tecnología adecuada para fermentadores de escalas mucho más grandes. Por lo que surgen diversas preguntas en cuanto al tamaño de un fermentador, ya que este tipo de fermentadores necesitan de análisis de transferencia de calor, transferencia de masa, transferencia de momento, limpieza y esterilización, y especificaciones de tuberías.

El impacto del escalamiento

Al incrementar el tamaño de los fermentadores, su volumen y su carga de calor aumentan al cubo, mientras que la superficie del área aumenta al cuadrado. Por lo que, con el escalamiento, la capacidad de transferencia de calor disminuye.  Como resultado de ello, los fermentadores de mayor tamaño necesitan refrigerantes que enfríen más o modificaciones adicionales al incremento de la superficie del área, o ambos.

Los fermentadores muy grandes, de más de 30,000 galones, generalmente utilizan una combinación de una chaqueta, una bobina y métodos de transferencia de calor tipo deflector para incrementar la superficie del área disponible para la transferencia de calor. Sin embargo, aun añadiendo estas modificaciones, la efectividad de la transferencia de calor disminuye con el incremento en la escala del fermentador. Por lo que además debe de poseer vías paralelas para conocer los parámetros de la velocidad del flujo y la temperatura de salida. La ventaja de los fermentadores muy grandes es que son capaces de beneficiarse de intercambiadores de calor externos que rechazan el calor, al menos en procesos aerobios.

Los intercambiadores externos de calor tienen la ventaja de tener un área de transferencia de calor ilimitada y no requieren de estructuras externas y tuberías necesarias para sostener las bobinas y los deflectores. Además pueden probarse a escalas pequeñas, lo que representa una ventaja.

El coeficiente de transferencia de calor será una función de la suma de la resistencia de la transferencia de calor del agua de enfriamiento, la pared del recipiente, y el líquido procesado en el tanque. La resistencia al refrigerante no varía en función al escalamiento. La diferencia logarítmica de la temperatura media (LMTD) no está en función de la escala. El espesor de las paredes generalmente aumenta significativamente con el tamaño del recipiente. El impacto del espesor del metal en la transferencia de calor puede ser calculado con mucha precisión.

La resistencia térmica del lado del proceso puede variar significativamente en función del tamaño del recipiente. A mayores escalas, el espesor de las paredes tiende a estar a mayor distancia de cualquier hoja agitadora, por lo que la turbulencia y el caudal a través de la superficie interna de la transferencia de calor ambos disminuyen con recientes más grandes. Los intercambiadores de calor externos tienen la ventaja de que permiten mantener controladas las condiciones en ambos lados de la superficie de la transferencia de calor, por lo que es posible eliminar la incertidumbre de los coeficientes de transferencia de calor a escala muy grande. Utilizando este tipo de intercambiadores se reduce el riesgo asociado al escalamiento.

El intercambiador de calor externo necesita una bomba para extraer la corriente del caldo de fermentación del fermentador. Parámetros estimados en un fermentador altamente aeróbico podría consumir 100 mmol O₂/L/h. La productividad a gran escala dependerá en parte que tan bien los microorganismos toleren el oxígeno disuelto.

El hecho de diseñar un fermentador muy grande no significa que sólo se necesite uno para un proceso de fermentación, ya que al principio sería más barato y fácil de manejar, sin embargo a la larga dificultaría el trabajo. Mientras más fermentadores su utilicen mayor será la visión de la ganancia del proceso. El número de unidades que se requerirán dependerá del tiempo del ciclo de fermentación, y tasa de producción de la planta, pero como regla, deberían de ser no menos de seis.

Los fermentadores de grandes escalas deberían de estar diseñados sólo para procesos de enfriamiento, no para esterilización por lote, pasteurización o bioinactivación. El enfriamiento es un gasto grande. Un proceso que es microaeróbico o anaeróbico tiene una clara ventaja económica porque este tipo de procesos generan menos calor.

El uso de intercambiadores de calor externos tiene ventajas de operación, debido a que su capacidad de transferencia de calor se vuelve independiente del tamaño, forma y material de construcción del tanque. Las pruebas a escala piloto con un fermentador de volumen de trabajo arriba de los 200 galones pueden demostrar los coeficientes de transferencia de calor y validar que los microorganismos pueden tolerar las condiciones ocasionadas por el intercambio de calor externo. 

BIBLIOGRAFÍA

Gregory, J., Green B. (2013). Heat Transfer for Huge-Scale Fermentation. Engineering Practice

Cuestionario: Mass Transfer in fermentation Scaleup'' Chemical Engieneerin (Marzo 2014)

1. ¿Qué problema puede generar el diseño de fermentadores demasiado altos?

Podría generar un aumento en los costos de inversión, debido a que en el caso de requerir la introducción de oxígeno al medio, el tamaño de la burbuja y la fuerza con la que debe ser introducida aumentan considerablemente para alcanzar el fondo del tanque. Lo que disminuye la cantidad de transferencia de masa dentro del fermentador.

2. ¿Qué problema puede generar el diseño de fermentadores demasiado anchos (gran diámetro)?

El principal problema sería la necesidad de cambiar el agitador y modificar la fuerza del rotamotor, puesto que la cantidad de masa que se agitará dentro del tanque aumentará, lo que dificultará alcanzar la homogeneidad del medio. 

3. Menciona una gran ventaja de emplear microorganismos que pueden tolerar una muy pequeña cantidad de oxígeno disuelto o que no requiera oxígeno. 

Permite una transferencia de masa más alta. Además de que, al no requerir oxígeno disuelto, se ahorra el costo del agitador.

4. En un fermentador aerobio, ¿Qué rol desempeña la tasa de transferencia de oxígeno?

   La tasa de transferencia de oxígeno (OTR), determina el tamaño de la burbuja necesaria para deplazar cierta cantidad de líquido dentro del reactor.

5. Realiza los cálculos necesarios para predecir las necesidades de:
Objetivo: Producción anual de 40 000 Ton/año.
Datos: 
- El caldo fermentado es de 4% p/p después de 80 h de tiempo de incubación.
- Se usará inoculo al 8%
- Las etapas semilla incuban durante 36 h con un receso (lavado, mantenimiento) de 10 h.
- La gravedad específica del caldo fermentado es de 1.02
-El fermentador se llena hasta un 85% de su capacidad de diseño
- No diseñe un fermentador con una altura superior a 15 m
- La velocidad de flujo del oxígeno suministrado es de 100 mmol/L/h.
- El tiempo de receso del fermentador es de 23 h (descarga, limpieza, lavado, esterilización, llenado e inoculación)
- La planta química ha programado 27 días para el mantenimiento general (paro de actividad) + 13 días de contingencia
- El rendimiento downstream (tareas previas a la fermentación) es del 95%

Cálculos:

1. Requerimientos de la fermentación = (40 000 Tn/a) / (95% rendimiento) = 42 100 Tn/a

2. Requerimientos del caldo fermentado = [(42 100 Tn/a) (2 000 lb/Tn)] / (0.05 Tn producto / Tn caldo) = 2 105 000 000 lb caldo/a

3. Producción volumétrica de la fermentación = (2 105 millones lib caldo/a) / [(8.34 lb/gal)(1.02)] = 247 449 100 gal/a = 677 943 gal/d = 28 248 gal/h = 471 gal/min

4. Capacidad total requerida para el fermentador (volúmen de trabajo) = (28 248 gal/h)(103 h/ciclo de fermentación)= 2 900 000 gal.

Si se requiere producir  2 900 000 galones al año, un fermentador de 10 ft (304.8 mts) de diamétro, con una altura de 34.22 ft (10.43 mts), produciría 28 000 galones. Por lo que se requerirían 104 fermentadores y 40 trenes de semillas, para obtener la producción deseada.

6. ¿Cómo incide el área superficial de transferencia de oxígeno (en pie cúbico) en el cálculo de la OTR, en mmol/h?
  El área superficial de transferencia es un parámetro que interviene directamente en el aumento o disminución de la Tasa de Transferencia de Oxígeno en un fermentador, por lo cual es de gran importancia determinar el tamaño del fermentador, para que el área de transferencia no sea de mayor o menor tamaño de lo que se requiere.

7. ¿Depende la tasa de flujo de las burbujas de aire, dentro de un fermentador de a razón de flujo de aire inyectado al equipo? ¿Porqué?
 No, debido a que la velocidad a la que se elevan las burbujas dentro del tanque depende directamente del tamaño de la burbuja, y de la densidad y viscosidad del fluido a través del cual se desplaza.

8. En un fermentador comercial (grande) conteniendo un caldo fermentador con gravedad específica similar a la del agua, ¿cuál podría ser la tasa de desplazamiento vertical ascendente esperada?
Asumiendo que la tasa de absorción es de 100 mmol O2/ L/h a lo largo del fermentador, el flujo superficial de aire es de 0.1 m^3/s, y el flujo ascendente de la burbuja dentro del sistema será de 0.6 m/s.

9. ¿Qué efecto tiene en la concentración de oxígeno en el aire, el ir ''subiendo'' la burbuja de aire en el fermentador?
La concentración de aire se agota conforme sube, aunque jamás llegara a cero, la concentración de oxigeno será relativamente nula, con respecto a la que existirá en el fondo del fermentador.

10. Explique por qué no tiene sentido pensar en un fermentador con una altura de 36 metros en cuyo interior es inyectado aire como medio de suministro de oxígeno para el microorganismo presente.
No tiene sentido debido a que la tasa de transferencia de oxígeno es muy baja en la parte superior del fermentador, debido a que esta disminuye conforme sube.

11. ¿Cuál sería, entonces, la mejor alternativa en el diseño del fermentador por lote para un alto volumen de producción?
La mejor alternativa para diseñar un fermentador por lotes y satisfacer un alto volumen de producción alto, sería diseñar un fermentador más ancho y no más alto.

12. Explique el efecto negativo de aumentar el flujo volumétrico de aire en un fermentador agitado mecánicamente.
Disminuye la concentración de oxígeno y la cantidad de líquido dentro del fermentador.

13. Haga un resumen de los 16 puntos de recomendación sugeridos para probar una planta piloto.
Las Directrices para las pruebas de una planta piloto, incluyen todos los aspectos a considerar en una planta de mayor tamaño:

• Pruebas al medio y organismo.
• Transferencia de oxígeno
• Rotamotor (apto para un rango específico de fluctuaciones)
• Tipos y diámetros de los impulsores
• Tacometros que midan la velocidad de reacción
• Sensores que midan los caballos de fuerza
• Colocar la entrada de oxigeno disuelto
• La importancia de la ubicación del impulsor con respecto al rociador
• Los indicadores de ácido/base, etc.

Biotecnología Alimentaria.

 

Introducción general

Definición y alcances

El término Biotecnología se empleo inicialmente en la década de los sesentas, para describir pocesos de naturaleza biológica, caracterizados por tener bases en un amplio conocimiento de aspectos bioquímicos y microbiológicos. 

Anteriormente, el concepto de biotecnología era considerado dentro del campo de la Ingeniería Bioquímica, en el área de la microbiología industrial y la tecnología enzimática.

Actualmente, la biotecnología se define como la utilización de moléculas obtenidas biológicamente, estructuras, células u organismos para llevar a cabo procesos específicos; también como el uso de agentes biológicos simples. La Federación Europea de Biotecnología la definió como el uso integrado de la bioquímica, la microbiología y la ingeniería para lograr las aplicaciones tecnológicas de las capacidades de los microorganismos, los cultivos de tejidos y partes derivadas de ellos.

La biotecnología ha permitido el desarrollo de procesos a partir de investigación básica y sus aplicaciones en:

• Los mecanismos de control de la expresión y regulación genética en microorganismos y en células utilizadas.
• Las leyes de a bioquímica y la fisicoquímica que regulan el comportamiento de estos entres biológicos y sus moléculas. 
• La fisicoquímica y los fenómenos de transporte involucrados en las operaciones de propagación, recuperación y utilización de los organismos o partes de ellos.

 

Imagen. Integración de la biotecnología.

La integración de dichos conocimientos (imagen), constituyen a la biotecnología y le dan su caracter multidiciplinario.

Nuevas herramientas -como la ingeniería genética- dieron gran impulso a la biotecnología al permitir la obtención de compuestos que no podía producirse de manera tradicional en la ingeniería bioquímica, de tal forma que se puede decir que la biotecnología se fortalece de manera integra y se consolida a nivel industrial.

Particularmente, la biotecnología alimentaria se define como el uso de las tecnologías para la producción, transformación y/o preservación de alimentos, o la producción de materias primas, aditivos y coadyuvantes. Los ejemplos más comunes de producción de alimentos por rutas biológicas son:

• Bebidas alcohólicas.
• Productos lácteos fermentados (yogur y queso)
• Hongos comestibles
•  Col fermentada (sauerkraut).
• Tempeh
• Pan
• Proteína unicelular, etc

El mayor impacto en la biotecnología alimentaria se presenta en la elaboración de materias primas y aditivos para la elaboración de alimentos. Desde los aminoácidos y vitaminas ligadas a los aspectos nutricionales, colorantes y biopolímeros a los aspectos de ''diseño'' de propiedades específicas, etc.

Las enzimas microbianas también son productos de técnicas biotecnológicas y pueden ser empleadas en procesos enzimáticos para la elaboración de materias primas o como aditivos.

En el campo de las aplicaciones analíticas destaca el uso de enzimas para la determinación específica de algunos componentes, microorganismos para la evaluación de la calidad nutricional de los alimentos, y los biosensores, son sofisticaciones recientes del uso de enzimas.

Tabla. Procesos biológicos involucrados dentro de la biotecnología alimentaria.

Antecedentes históricos

Bu'Lock considera qe el control de los procesos biotecnológicos es la escencia de la biotecnología, por lo tanto, según su definición, las fermentaciones tradicionales se pueden considerar como biotecnología sólo a partir del momento en que se utilizaron microorganismos preseleccionados.

Durante el siglo pasado se consolidaron disciplinas como la microbiología, la bioquímica y la ingeniería química. Con ello se implementaron técnicas de aislamiento y control de cultivos puros,  y su utilización en las industrias se volvió viable.

La necesidad de producir antibióticos a gran escala, llevo a la aplicación de los principios y operaciones de ingeniería química a los procesos fermentativos y de recuperación y purificación de estos productos, lo que trajo como consecuencia importantes avances en la tecnología de las fermentaciones.  Esta situación repercute en la producción eficiente de productos de fermentaciones tradicionales, como: aminoácidos, polímeros, y enzimas de origen microbiano.

Los conocimientos y metodologías empleados en el cultivo de microorganismos se extrapolaros al cultivo de células en tejidos de organismos superiores. 

La genética y la biología molecular, empezó a impactar grandemente a la biotecnología a partir del mejoramiento de microorganismos de interés industrial (década de los 40´s), las primeras herramientas fueron las mutaciones inespecíficas, que permitieron un desarrollo significativo en la producción de antibióticos, así como el mejoramiento de microorganismos empleados en la industria de alimentos.

La tecnología de DNA recombinante y otros métodos como la fusión de protoplastos, fueron un avance enorme en la biotecnología en la década de los 60's. En la década de los 80´s empezaron a emplearse células de plantas. Actualmente se están consolidando y gozan de un gran impacto con técnicas de cultivo de células y tejidos vegetales, animales, y los anticuerpos monoclonales.

Tabla. Impacto del desarrollo histórico de la biotecnología en el proceso de dos productos alimenticios tradicionales.

 

Impacto de la biotecnología alimentaria.

Ante el impacto y las grandes espectativas de los procesos fermentativos, el interés por la biotecnologia ha crecido notablemente, al grado de que existen muy pocos países donde no se tiene un ''plan nacional de biotecnología''.

Son diversos los sectores tecnológicos sobre los cuales se aplica la biotecnología: alimentos y agricultura, farmacia, diagnóstico y salud, químico, energético, ambiental, minería, etc.

En el enfoque de la tecnologia del DNA recombinante (década de los 70´s y 80´s) se ha orientado  a la producción de proteínas de interés farmacéutico como la insulina, la hormona del crecimiento y el interferón. La FDA (1987) autorizó el uso del activador plasminógeno (agente trombolítico) lo que inicio una nueva era para la ingeniería genética. El auge en el sector farmacéutico, medido por la aparición en el mercado de productos nuevos.

Comparando esté impacto con el del sector alimentario, se pueden contemplar algunas consideraciones: 

1. El sector farmacéutico está perfectamente integrado, los productores de materias primas y los que manufacturan el producto final estan estrechamente relacionados, lo que facilita enormemente la investigación y el desarrollo.
2. El sector alimentario, desarticulado y compartamentalizado en diversos ramos es dificil que los desarrollos puedan transferirse de un ramo a otro.

Tabla. Algunas industrias relacionadas con la biotecnología alimentaria en México.

La industria alimentaria es un sector de enorme tamaño y diversidad, que emplea el 95% de los procesos biológicos. En cuanto a avances en investigación y desarrollo, la utilización de las capacidades de los sistemas biológicos se extiende rápidamente. Lo que se ve evidenciado en una disminuación de precios, disponibilidad y calidad al consumidor.





Fuente:
Biotecnología alimentaria. García Garibay, Quintero Ramírez, López-Munguía Canales.

Dr. Rodolfo Quintero Ramírez

Su curriculum vitae, tomado de:

http://www.cua.uam.mx/files/CVQuintero.pdf