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:
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:
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.
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