Transferencia de masa (columna de burbujeo) Materia: Ingeniería de biorreactores Docente: Fransisco Javier Yepez Ramirez Carrera: IBI Grupo: 6°B Equipo 5 Integrantes: Hernandez Corona Diana Rebeca Flores Medina Joel Jared Barcenas Rodriguez Mariana Michelle Laguna Martinez Marycarmen Mendoza Rojas Claudia Pilar Fecha de entrega: Jueves 7 de julio de 2022 RESUMEN La transferencia de masa ocurre cuando una sustancia se transfiere a través de otra u otras a escala de difusión molecular. Esto ocurre cuando se ponen en contacto dos sustancias con composiciones químicas diferentes. Un biorreactor de columna de burbujeo consiste en un recipiente cilíndrico, generalmente con alturas superiores al doble del diámetro y que tiene un mecanismo de aspersión de gas en el fondo el cual provee aireación al sistema y un menor consumo de energía que la agitación mecánica. Las burbujas de aire o oxígeno a medida que ascienden mezclan el contenido del biorreactor y satisfacen la demanda de oxígeno de las células. La transferencia de oxígeno constituye un factor muy importante en el crecimiento de los microorganismos y es variable fundamental para el escalado y la economía de los sistemas de biosíntesis aerobia. El objetivo de este estudio fue medir la velocidad de absorción de oxígeno (O2) en una columna de burbujeo por el método de la oxidación de sulfito de sodio. Durante el estudio la determinación, se hizo burbujear oxígeno por un tiempo de 30 minutos siguiendo los cálculos estequiométricos en el medio que contenía sulfito de sodio para obtener una reacción, luego se cuantificó la cantidad de sulfito que no reaccionó por yodometría. Finalmente obtuvimos la tasa de absorción de oxígeno (O 2) en L/mmol (NO2), este dato se utilizó para calcular el coeficiente de transferencia de masa (kLa) Obteniendo en los resultados la tasa de absorción de oxígeno (O2) 0.2648L/mmol mientras que el coeficiente de transferencia de masa (kLa) fue de 23.78671g/mmol. Siendo el resultado de (kLa) directamente proporcional al área de burbujeo mientras mayor sea el área de burbujeo mayor (kLa) se va a obtener, el suministro de oxígeno afecta al kLa ya que mayor suministro de O2 es directamente proporcional a (kLa). Palabras clave: Transferencia de masa; Biorreactor de Columna de Burbujeo; Absorción de oxígeno (O2); Coeficiente de transferencia de masa (kLa); Difusión molecular. ABSTRACT Mass transfer occurs when one substance is transferred through another or others on a molecular diffusion scale. This occurs when two substances with different chemical compositions come into contact. A bubble column bioreactor consists of a cylindrical vessel, generally with heights greater than twice the diameter, and which has a gas spray mechanism at the bottom which provides aeration to the system and lower energy consumption than mechanical compression. The air or oxygen bubbles as they increase mix the 2 contents of the bioreactor and meet the oxygen demand of the cells. Oxygen transfer is a very important factor in the growth of microorganisms and is a fundamental variable for the scaling and economy of aerobic biosynthesis systems. The objective of this study was to measure the rate of oxygen (O2) absorption in a bubble column by the sodium sulfite oxidation method. During the determination study, oxygen was bubbled for 30 minutes following stoichiometric calculations in the medium containing sodium sulfite to obtain a reaction, then the amount of sulfite that did not react was quantified by iodometry. Finally we obtained the oxygen absorption rate (O 2) in L/mmol (NO2), this data was obtained to calculate the mass transfer coefficient (kLa) Obtaining in the results the oxygen absorption rate (O2) 0.2648L/mmol while the mass transfer coefficient (kLa) was 23.78671g/mmol. Being the result of (kLa) directly proportional to the bubbling area, the greater the bubbling area, the greater (kLa) will be obtained, the supply of oxygen affects (kLa) since a greater supply of O2 is directly proportional to (kLa). Keywords: Mass transfer; Bubble Column Bioreactor; Oxygen absorption (O2); Mass transfer coefficient (kLa); Molecular diffusion. INTRODUCCIÓN La transferencia de oxígeno constituye un factor muy importante en el crecimiento de los microorganismos y es variable fundamental para el escalado y la economía de los sistemas de biosíntesis aerobia. La concentración de oxígeno disuelto en un cultivo con microorganismos aerobios depende de la tasa de transferencia de oxígeno de la fase gas al líquido, de la velocidad de transporte del oxígeno hacia las células y de la tasa de consumo de oxígeno. Los biorreactores tipo columna de burbujeo poseen una recirculación y son conocidos también como biorreactores de elevación con aire o en rizo. Consiste en un tanque dividido en dos zonas interconectadas, principalmente por un baffle o un tubo de draft. Sólo una región es asperjada con gas y es conocida como ascenderte o riser, la otra zona se nombra descendente o downcomer. La división en dos zonas conduce a una diferencia de densidades en el flujo entre ambas regiones, tendiendo a ser menor en el caso del riser, con lo que se origina la recirculación del medio en el reactor. La separación en dos zonas hace que sean más efectivos en la suspensión de células y en la transferencia de oxígeno que las columnas de burbujeo. Estos biorreactores están formados por un tubo vertical transparente. El aspersor se encuentra en la parte inferior de la columna y 3 provee al reactor de pequeñas burbujas que tienen por función el mezclado del líquido y la transferencia de masa de CO2 y la remoción de O2. Las columnas de burbujeo son reactores de contenedor cilíndrico cuya altura es más del doble de su diámetro. Sus principales ventajas son: bajo costo, área superficial mayor en relación al volumen, mezclado relativamente homogéneo, eficiente liberación de O2. En el metabolismo aeróbico el O2 actúa como último aceptor de electrones, siendo este proceso clave para la generación de energía (ATP). Debido a la baja solubilidad del O2 en agua (7 mg/l a 35°C) y a que los microorganismos son capaces de utilizar solamente el O2 disuelto, es evidente que éste deberá ser suministrado continuamente al medio de cultivo. Para lograrlo, es necesario transferir O2 desde la fase gaseosa (normalmente aire) a la fase líquida (medio de cultivo) de modo permanente. En el diseño de reactores destinados a cultivos aeróbicos es de fundamental importancia tener en cuenta el aspecto mencionado anteriormente, la transferencia de O2 puede explicarse mediante la ecuación RO2 = KLa (C*-CL), donde RO2 es la velocidad de transferencia de O2, KLa es el coeficiente volumétrico de transferencia de O2, C* Es la concentración que estaría en equilibrio con la presión parcial de O2 en el seno de la fase gaseosa. Según la ley de Henry, PO2 = H.C* y CL es el valor de la concentración de O2 en el seno del líquido. La diferencia de estos dos últimos términos es la fuerza impulsora de la transferencia. El KLa es una constante de proporcionalidad que puede tomar diferentes formas dependiendo del modelo que se utilice para explicarla. En este trabajo elaborado se tomará en cuenta y se realizará por el método de cooper siendo la determinación de kLa por el método de sulfito se basa en la reacción entre el sulfito de sodio con el O2 en medio ligeramente alcalino y en presencia de iones Cu+2.La ecuación estequiométrica que representa a la reacción que ocurre entre sulfito y O2 es la siguiente: Sus ventajas del biorreactor tipo burbujeo incluyen un mejor control de las variables de cultivo, mayores productividades y reducción de la energía de consumo. (Mancilla, 2017). Tipo de biorreactor 4 Ventajas Desventajas Columna burbujeo de 1. Sin partes móviles 2. Sencillo 3. Bajos costos de equipo 4. Alta concentración celular 1. Formación excesiva de burbujeo 2. Limitado al sistema de baja viscosidad Elaboración propia. En este documento se evaluará la velocidad de absorción de O2 por el método de la oxidación de sulfito de sodio, donde se hará burbujear oxígeno por un tiempo en el medio que contiene sulfito de sodio para que reaccione, este se realiza en un biorreactor de columna de burbujeo casero, para posteriormente cuantificar la cantidad de sulfito por yodometría liberándose yodo titulando con tiosulfato de sodio. ANTECEDENTES Un biorreactor es un sistema en el que se lleva a cabo una conversión biológica, la creación de estos data desde el año 1914 por Chain Weizmann gracias a la necesidad de producir acetona al estar librando la primera guerra mundial. Para el año de 1930 se considera que por primera vez se utilizó un biorreactor para la producción de levaduras específicamente el biorreactor columna de burbujeo, este consistía en un gran tanque cilíndrico con aire introducido en la base a través de una red de tuberías perforadas. Más tarde en el año de 1944 De Breeze y Liebmann utilizaron por primera vez un biorreactor de esta capacidad para la producción comercial de levaduras. En modificaciones posteriores, se usaron impulsores mecánicos para aumentar la velocidad de mezcla y para romper y dispersar las burbujas de aire. Este proceso condujo a los requisitos de aire comprimido. En el año 1934, Strauch y Schmidt patentaron un sistema en el que los tubos de aireación se introdujeron con agua y vapor para la limpieza y esterilización. Se tomó la decisión de usar una técnica de cultivo sumergido para la producción de penicilina, donde las condiciones asépticas, la buena aireación y la agitación eran esenciales. En 1943, el gobierno británico decidió que el cultivo de superficie era inadecuado, por lo cual ninguna de las plantas de fermentación era adecuada para una fermentación profunda. El primer fermentador piloto fue erigido en la India en Hindustan Antibiotic Ltd., Pimpri, Pune en el año 1950. 5 Finalmente para el año de 1970 se consiguió comercializar los primeros biorreactores junto con contadores de colonias y autoclaves. Para el año de 1980 se crearon pequeños modelos denominados biorreactores de mesa diseñados para el cultivo de células animales. Métodos químicos y método de cooper Los métodos químicos fueron los primeros en ser ampliamente aceptados. Sin embargo, estos no se recomiendan para determinar los coeficientes volumétricos de transferencia de masa en el caso de los biorreactores con burbujeadores debido a los cambios en las propiedades fisicoquímicas de los líquidos. El método de oxidación de sulfito de sodio es el método que se basa en la reacción del sulfito, un agente reductor con el oxígeno disuelto para producir sulfato en presencia de un catalizador. Este método fue descrito por primera vez por Cooper en el año de 1944 en la cual involucra la siguiente reacción: Yodometria En los comienzos del siglo XIX, debido en gran parte a las guerras napoleónicas, el nitrato potásico era una sustancia muy valorada para la obtención de pólvora. Posiblemente ese era el motivo por el que, en 1811, Bernard Courtois (1777–1838) obtenía nitrato potásico (salitre) quemando algas; al quemar las algas en las cenizas quedaba nitrato que recuperaba añadiendo ácido sulfúrico para eliminar los otros residuos. Un día añadió más ácido de lo normal y, al calentar, observó que se desprendían un vapor de color violeta (tiempo después se sabría que se trataba de un nuevo elemento: el yodo) muy llamativo, que se condensaba dejando unos pequeños cristales negros brillantes. No tenía suficiente dinero y abandonó la investigación, pero dio muestras de aquella sustancia a Nicholas Clement (1779–1841) y a Charles Bernard Desormes (1771–1862), quienes a su vez, según Partington (1964), las pasaron a Louis Joseph Gay Lussac (1778–1850) y a Humphry Davy (1778– 1829). Ambos reconocieron que el descubridor de esa sustancia había sido Courtois, a quien en 1831 le concedieron seis mil francos del Premio Montyon de l'Académie Royale des Sciences, por el valor medicinal del yodo (MartínSánchez, M., Martín-Sánchez, M. T., & Pinto, G. (2013)). La investigación sobre el yodo fue uno de los varios conflictos que hubo entre Davy (1813) y Gay Lussac, porque los dos se disputaban la primacía de los 6 descubrimientos relacionados con el comportamiento del yodo. Esto supuso que el yodo comenzará a estudiarse bastante después de su descubrimiento y que Gay Lussac (1814). En 1813 Gay Lussac se dedicó a estudiar aquellos vapores extraños que se formaban de una sustancia de aspecto metálico, llegando a la conclusión de que se trataba de un nuevo elemento al que llamó "yodo". Según Partington (1964) Bunsen, en 1853, desarrolló un método volumétrico de yodometría utilizando una disolución de ácido sulfuroso y trabajó en el análisis de aguas. OBJETIVOS Objetivo general Medir la velocidad de absorción de oxígeno (O2) en una columna de burbujeo por el método de la oxidación de sulfito de sodio. Objetivos específicos 1. Calcular el coeficiente de transferencia de masa (kLa). 2. Obtener la tasa de absorción de oxígeno en g de O2 / L min. 3. Cuantificar la cantidad de sulfito que no reacciona por medio de yodometría. 4. Analizar y comprender el proceso de transferencia de masa en biorreactores. METODOLOGÍA Preparación de soluciones 1. Sulfito de sodio (Na2SO3) g=(0.1M)(2.5L)(126.04 g/mol de Na2SO3)=(.302 g de NA2SO4). 2. Cu++ 0.3735 g de sulfato de cobre por cada medio litro de solución. 3. KIO3 2% 15 g de KI por cada 150 ml de solución. 4. KI 10% 5 g de yodato diluidos en 250 ml de agua destilada para lograr la concentración necesaria. 5. Almidón al 1% Pesar 5 g de almidón soluble +/- 0,1 g, se transfirió a un vaso de 250 ml para luego agregar 5 ml de agua destilada. Finalmente se agitó con una varilla de vidrio hasta formar una pasta homogénea 7 6. Na₂ S₂ O₃ · 5H₂ O Se disuelve 25 g de tiosulfato de sodio y se aforó hasta los 1000 cm3 con agua destilada Procedimiento 1. Se Preparó 2.5 L de una solución que contenía una concentración 0.1 M de sulfito de sodio (Na2SO3),(Imagen 1) además, en la misma solución, se añadió una concentración de 0.003 M de iones de Cu + +. Permitiendo el burbujeo de aire un tiempo total de 30 minutos. 2. Después de los 30 minutos se tomó una muestra de 10 mL de la columna de burbujeo(Imagen 2) y añadió 10 mL de KIO 3 al 2%. Agitando bien para completar la reacción. 3. Luego se añadió 10 mL de KI al 10% e inmediatamente después añadió 2 mL de H2SO4 concentrado. Observando la aparición de un color café. (Imagen 3) 4. Se añadió 1 mL de solución de almidón al 1% se tituló lo obtenido con una solución de Na2S2O3 al 0.1 M. (Imagen 4) 5. Finalmente se determinó la cantidad de oxígeno que reaccionó en los 30 minutos siguiendo cuidadosamente los cálculos estequiométricos. La cantidad de O2 que reacciona es igual a la cantidad de O2 absorbida. Obtenga la tasa de absorción del mismo en g de O2 /L min (NO2).(Imagen 5) 8 Imagen 1. Preparación del sulfito de sodio (Na2SO3 ) al 0.1 M. Imagen 2. Toma de 10 mL muestra de columna de burbujeo más 10 mL de KIO 3 al 2%. 9 Imagen 3. Adición de 10 mL de KI al 10% más 2 mL de H2SO4 concentrado, observando la aparición de un color café. Imagen 4. Adición de 1 mL de solución de almidón al 1% titulando lo obtenido con una solución de Na2S2O3 al 0.1 M. 10 Imagen 5. Determinación de la cantidad de oxígeno que reaccionó a los 30 minutos. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se título hasta tener un color verdoso amarillo en este punto empezó a verse de color azul hasta llevar a desaparecerlo por completo esto género que la solución se volviera transparente realizando las comparaciones con (MARÍA STELLA,2004) que nos dice que “ Se Titulo con solución 0,025 M de Na2S2O3 agregándolo gota a gota y agitando el Erlenmeyer hasta obtener un color amarillo pajizo pálido; en ese punto agregue de 3 a 5 gotas de solución de almidón en donde vira a color azul y continúe la titulación hasta la desaparición del color azul. Este es el punto final de la titulación” lo que nos lleva a decir que la titulación se realizó de la manera correcta. Los litros obtenidos fueron los siguientes 11 Matraz Mililitros M1 41.8 mL M2 38.3 mL M3 38 mL Se procedió a sacar el promedio el cual es de 39.367mL. A continuación, se despejo la fórmula de molaridad para calcular el número de moles A partir de los mmol se realizará el análisis estequiométrico partiendo de las reacciones realizadas en la práctica: Reacción 1 3Na2SO3+KIO3 → KI+3Na2SO4 Reacción 2 IO3-+5I-+6H+ → 3I2+3H2O Reacción 3 2Na2S2O3+I2 → 2NaI+2Na2S4O6 Ahora convertimos los mmol a g/l Este valor será nuestra N02 Ahora despejamos la fórmula de NO2 para calcular kLa 12 Mantuvimos una burbuja media y durante 30 min la cual se dejó que fluyera el aire en el biorreactor con la llave de suministro de aire abierta a 1/4. Las kLa de los equipos de laboratorio fueron los siguientes: Equipos Burbujeo KLa Suministro de aire Tiempo Equipo 1 burbuja mediana no violenta 22.3729 Llave abierta a 1/2 20 min Equipo 2 Burbuja grande Violenta 30.33 Llave abierta 3/4 20 min Equipo 3 Burbuja mediana no violenta 22.87 Llave abierta a 1/3 20 min Equipo 4 Burbuja grande Violenta 28.78 Llave abierta a 3/4 20 min Partiendo de las comparaciones de KLa podemos decir que las variaciones de kLa entre el equipo se debe a la suministración de aire y el área de burbujeo ya que algunas burbujas eran violentas en algunos biorreactores, coincidimos que el tiempo es un factor que no afecte, Finalmente entre mayor área burbujeo mayor kLa. 13 CONCLUSIÓN En resumen, la transferencia de oxígeno constituye un factor muy importante en el crecimiento de los microorganismos y es variable fundamental para el escalado y la economía de los sistemas de biosíntesis aerobia. Tomando esto en cuenta y sabiendo que kLa es utilizada para el coeficiente volumétrico de transferencia de O2, se logró el objetivo al medir la velocidad de absorción de O2 en la columna de burbujeo por el método de la oxidación de sulfito de sodio. De acuerdo a los análisis de los resultados es congruente los valores obtenidos debido a que entre mayor área de burbujeo mayor será kLa. REFERENCIAS 1. Biochemical Engineering. James Lee. Segunda edición 1992. Editorial Prentice Hall. 2. Mancilla de la Cruz, A. (2017). Control automático para un biorreactor de microalgas. [Residencia profesional]. Instituto tecnológico nacional de Tuxtla Gutiérrez.http://repositoriodigital.tuxtla.tecnm.mx/xmlui/bitstream/h andle/123456789/1421/MDRPIECA2017031.pdf?sequence=1&isAllow ed=y 3. Buitrago H, G., Otálvaro A, Á. M., & Duarte B., P. G. (2013). Evaluación de la transferencia de oxígeno en un biorreactor convencional con aireador externo. Revista Colombiana de Biotecnología, 15(2), 106. doi:http://dx.doi.org/10.15446/rev.colomb.biote.v15n2.41272 4. LÓPEZ, E. G. (2004). INGENIERO EN ALIMENTOS (Doctoral dissertation, UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA MIXTECA). 5. Martín-Sánchez, M., Martín-Sánchez, M. T., & Pinto, G. (2013). Reactivo de Lugol: Historia de su descubrimiento y aplicaciones didácticas. Educación química, 24(1), 31-36. 6. Universidad Nacional de Quilmes.(2005). Departamento de ciencia y tecnología. 14 http://bioprocesos.unq.edu.ar/Biopro%20II/Determinacion%20de%20K La%20%20TP.pdf 7. STELLA, M. A. R. Í. A. (2004, 22 junio). DETERMINACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO POR EL MÉTODO YODOMÉTRICO MODIFICACIÓN DE AZIDA. ideam.http://www.ideam.gov.co/documents/14691/38155/Ox%C3%A Dgeno+Disuelto+M%C3%A9todo+Winkler.pdf/e2c95674-b399-4f85b19e-a3a19b801dbf Captura de artículos 15 16 17
