Análisis de régimen de un biorreactor de partición de tres fases mediante la determinación de tiempos característicos - Melgarejo Torres, Rodrigo (Universidad Autónoma Metropolitana, 2010)
Se realizó un análisis de régimen en un biorreactor de partición de tres fases tipo tanque agitado mediante la determinación de los tiempos característicos de los mecanismos de mezclado, transporte de masa y bioconversión, para determinar la etapa limitante del proceso. Los estudios de mezclado y transferencia de masa se realizaron en un biorreactor tipo tanque agitado de 1 L a diferentes condiciones de operación: velocidad de agitación (400, 700 y 1000 rpm), aireación (0.5, 0.75 y 1.0 vvm), fracción volumen de líquido iónico (5, 12.5 y 20 % v/v). El tiempo característico de mezclado (τm) se estimó utilizando el método de pH reportado por Hadjiev y col. (2006). Los valores de τm fueron de 4 a 6 segundos. Los coeficientes de transferencia de sustrato (KS) y producto (KP) se estimaron indirectamente utilizando una Celda de Lewis modificada operada a diferentes tasas de agitación. El área de transferencia de masa en el biorreactor (A) se calculó con el diámetro promedio “Sauter” de gota (d32) de la fase dispersa con un equipo de reflectancia óptica (3D ORM). Se integraron los K´S y A para calcular los coeficientes volumétricos de sustrato (KSA) y producto (KPA) en el biorreactor. Los valores obtenidos fueron de 162 a 2,470 h-1 y 32 a 499 h-1 respectivamente. Los coeficientes volumétricos de transferencia de O2 (KLa) se estimaron con el método dinámico y el modelo propuesto por Fuchs y col. (1971), los valores de KLa obtenidos fueron de 28 a 275 h-1 . La tasa de consumo de oxígeno ( O2 ) deEscherichia coliTOP10 pQR239 se hizo en un minibiorreactor de 20 mL, a una concentración inicial de sustrato de 0.5 g L-1 , se usó el método dinámico y el modelo propuesto por Badino y col., (2000). La O2 obtenida fue 0.5 g L-1 h -1 . Para estimar la tasa de consumo de sustrato ( S ) se hizo una cinética a diferentes concentraciones de sustrato (0.2 a 2 g/L) en función de las velocidades máximas de formación de producto, se usó un modelo modificado propuesto por Aiba y col. (1968) para estimar la S y otros parámetros cinéticos: constante de afinidad y constante de inhibición por sustrato. El modelo se resolvió porregresión no lineal con el software NCSS 2007. Con estos resultados se calcularon los tiempos característicos (τ´s). La comparación de los τ´s calculados permitió establecer: la reacción es la etapa limitante del sistema, también se observó que lo τ´s de transferencia y consumo de oxígeno predice que el sistema a ciertas condiciones de operación puede presentar ausencia de oxígeno al biocatalizador. ; A regime analysis in a three phase partitioning bioreactor was carried on through the determination of characteristic times of the mechanisms involved: mixing, mass transfer phenomena (oxygen, substrates and products), and kinetic parameters (oxygen and substrate up take). To study the mixing and mass transfer mechanisms involved in the bioconversion process, experiments were carried on in a one liter bioreactor at different operation conditions: agitation(400, 700 and 1000 rpm) and aeration(0.5, 0.75and 1.0 vvm)rates, and ionic liquid volume fraction (5, 12.5 and 20 % v/v). However, kinetic experiments were conducted in a 20 mL bioreactor just usingaqueous phasein order to reduce mixing and mass transfer phenomena. Mixing time was estimated by the pH method reported by Hadjiev y col. (2006). Mixing times values obtained were between 4 and 6 seconds. Volumetricmass transfer coefficientsfor substrate (KSA) and product (KPA)were estimated by an indirect method: first mass transfer coefficients (KS andKP)were estimated using a modified Lewis Cell at different agitation rates of both phases. On the other hand, Sauter mean drop diameter (d32) was measured online in the reactor using an Optical Reflectance Measurement (3D ORM) and mass transfer area (A) was calculated considering the volume fraction of the dispersed phase. With these data, volumetric mass transfer coefficients for substrate (KSA) and product (KPA) in the bioreactor were estimated. Estimated values obtained were 162 – 2,470 h -1 for KSA and 31 – 499 h -1 for KPA. Oxygen volumetric mass transfer coefficient (KLa) was estimated using the gassing in - gassing out dynamic method and the model proposed by Fuchs et al. (1971). Under operational conditions studied in the bioreactor estimated values range between 28 to 275 h-1 . Oxygen up-take rate ( O2 ) of Escherichia coliTOP10 pQR239 was estimated taking into account cell maintenance and substrate consumption. Oxygen up-take rate for substrate consumption was determined at an initial substrate concentration of 0.5 g L -1 . The experiments were carried out in a 20 mL mini bioreactor. The gassing out dynamic method was used tomeasure the oxygen up-take rate for cell maintenance and reaction. Kinetic parameters were estimated according to the model proposed for Badino et al. (2000). Oxygen up-take rate ( O2 ) value obtained was 0.5 g L-1 h -1 . Substrate consumption during de bioconversion was determined at different substrate concentration (0.2 to 2 g L -1 ). Data obtained were adjusted to the model proposed by Aiba et al. (1968). Substrate up-take rate ( S ), inhibition constant (Ki) and affinity constant (Ks) were calculated using non-linear regression with the software NCSS 2007. Comparison of the characteristic times allowed establishing: the bioconversion process studied was limited by substrate consumption, oxygen mass transfer might be the limiting stepif a more active biocatalyst is used.