Tema 6 Escalamiento

8/18/2019 Tema 6 Escalamiento

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TEMA 6. ESCALAMIENTO

OBJETIVOS.

• El alumno comprenderá la importancia del proceso de escalamiento de biorreactores• El alumno conocerá, analizará y diferenciará las bases de escalamiento en cada

etapa del mismo, desde el laboratorio hasta el proceso a nivel industrial• El alumno conocerá, analizará y aplicará los diferentes criterios del escalamiento de

biorreactores

• El alumno relacionará los parámetros vistos antes en el proceso de transferencia de

masa y el diseño de biorreactorres con el proceso de escalamiento

6.1 Bases del escalamiento.El desarrollo de un proceso microbiológico usualmente se puede establecer en tres

etapas perfectamente diferenciadas:

• Escala a nivel laboratorio• Escala a nivel Planta Piloto• Escala a nivel Planta Industrial

Durante muchos años, los aspectos relacionados con el escalamiento de resultados

obtenidos a nivel laboratorio a planta piloto y posteriormente a planta industrial, se

visualizó más como un arte recurriendo a la experiencia, que como una disciplina formal.

Actualmente, el traducir los resultados y condiciones de una etapa a otra, con criteriosadecuados es una de las áreas de interés en bioingeniería.

Cada una de las etapas mencionadas tiene objetivos perfectamente definidos y a

través de las cuales se obtienen resultados, los cuales interrelacionados, llevan al diseño y

desarrollo de bioprocesos; cabe hacer la aclaración que ninguna de estas tres etapas es másimportante que la otra.

El escalamiento involucra el estudio de los problemas asociados en transferir lainformación obtenida en el laboratorio (mL) a escala de planta piloto (L) y desde escala de

planta piloto (L) a escala industrial (m3).

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1.- Escala a nivel laboratorio. El nivel de trabajo es de tubos inclinados con medio decultivo a matraces agitados de 500 ml. La función de esta escala es: a) selección de cepas,

b) identificar las mejores cepas, c) niveles de expresión, d) determinar los componentes

esenciales del medio (fuente de carbono, fuente de nitrógeno, etc.), entre otros.

Selección de la cepa.

¿Cómo se selecciona una cepa en particular de un grupo de organismos elegibles?

La selección deberá realizarse basándose en reglas de comparación.La cepa “B” deberá seleccionarse solamente cuando el tiempo de fermentación sea

superior a 100 horas. Por otro lado, la cepa “A” alcanza un nivel de producción mástempranamente, pero la productividad se mantiene constante después de 50 horas de

cultivo.

Producto

deseado

Cepa A

Cepa B

0 50 100

Tiempo, hr

El objetivo básico del escalamiento es obtener resultados bioquímicos y

microbianos reproducibles en diferentes escalas, sobre todo en el proceso a escala

industrial.

2.- Escala a nivel planta piloto. Usualmente implica un rango de trabajo de: 5, 40, 200,1000 y 2000 litros. En esta etapa, típicamente, se trabaja en: a) optimización del medio de

cultivo, b) establecimiento de las mejores condiciones ambientales (pH, temperaturas,

niveles de iones metálicos, etc.), c) forma de operación, d) determinación de flujos y

presiones, e) velocidad de agitación, f) efecto del comportamiento reológico del sistema biológico, entre otros.

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3.- Escala a nivel planta industrial. Para biorreactores con un tamaño de 5000 litros o más.El objetivo en esta etapa es lograr la producción del metabolito deseado a las

concentraciones esperadas para lograr el máximo beneficio económico.

La etapa de escalamiento más difícil es entre el laboratorio y planta piloto debido ala diferencia en tamaño de electrodos y el comportamiento fluidodinámico entre los

diferentes tamaños de equipo en cada escala.

Factores que afectan el escalamiento de un bioproceso.Las condiciones ambientales involucran 2 tipos de factores:

[sustratos]Químicas

[inoculo]

Transferencia de masa

Mezclado

Físicas Esfuerzos de corte

Disipación de calor

Mientras que los factores químicos pueden estar bajo control, los factores físicos

son muy independientes del tamaño del escalamiento (cambian con la escala). La situaciónempeora si la similitud geométrica no se mantiene constante en ambos sistemas: modelo y

prototipo.

La selección del criterio de escalamiento dependerá de cual es la variable másimportante para el crecimiento del microorganismo y para la producción de productodeseado, por ejemplo:

• Fragilidad del microorganismo

• Trasferencia de oxígeno

El principio básico del escalamiento hacia arriba (scale up) es:

"Hacer experimentos a escala pequeña, para obtener resultados que permitanestablecer condiciones y medios óptimos, para lograr los mismos resultados a escala

industrial".

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Se puede hablar de escalamiento en ambos sentidos:

Escala industrial

Escala piloto

Escale up Escale down

Generalmente el escalamiento se hace en base de principios de semejanza entre 2

sistemas. Esta semejanza se refiere a similitud entre las 2 escalas. Dichas similitudes

pueden ser:• Similitudes geométricas: Las razones entre las longitudes correspondientes

deben ser iguales en ambos sistemas.

•

Similitudes cinemáticas: Las razones entre las velocidades en puntosequivalentes deben ser iguales en ambos sistemas.• Similitudes dinámicas: Las razones entre las fuerzas en puntos equivalentes

deben ser iguales en ambos sistemas.

6.2 Criterios de escalamiento. No hay un método sencillo para el escalamiento de biorreactor con aireación y

agitación, que pueda ser alicado con alta probabilidad de éxito en todos los procesos de

fermentación. El método de escalamiento involucra suposiciones cuya válidez depende de

las cincuntancias o condiciones.El escalamiento en base a la velocidad en la punta del impulsor es recomendable

cuando se trabaja con un organismo sensible al daño mecánico y al esfuerzo de corte. Este

método resulta útil para cultivos con hongos filamentosos con un comportamiento no-

newtoniano, los cuales son de gran uso en la industria. El escalamiento es base alcoeficiente de transferencia volumétrico tiene el inconveniente de la determinación del k La

a escala piloto y sobretodo industrial. El escalamiento en base al conusmo de potencia por

unidad de volumen, a pesar de sus limitaciones, es el mejor procedimiento en general, sehan reportado en la literatura varios casos de éxito de su uso. Independientemente del

método seleccionado, la eficiencia de aireación elegida para propósitos de escalamiento

debe ser idealmente la que produzca la productividad máxima, pero debe evitarse su excesoy un mal gasto de potencia, cuidando la economía del proceso.

Dado que los factores ambientales pueden cambiar con la escala, se puede uno

preguntar ¿cuál es el mejor criterio para trasladar un resultado entre dos escalas? Algunosde los criterios son:

1. Coeficiente de transferencia de oxígeno (kla)(k La) = (k 1 La)2

2. Potencia por unidad de volumen

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a) Sistema no aireado, P/V constante(P/V) = (P/V)1 2 b) Sistema aireado, P /Vg(Pg/V) = (P /V)1 g 2

3. Velocidad en la punta del impulsor o velocidad tangencial de agitación (π N D)i(π N D) = (π N D )i 1 i 2

24. Número de Reynolds, (N D ρ/μ)i

2 2(N D ρ/μ) = (N D ρ/μ)i 1 i 2

5. Velocidad de circulación del líquido o velocidad de bombeo del impulsor por unidad de

volumen, (F /V)aire(F /V) = (F /V)aire 1 aire 2

Es necesario considerar las relaciones :

•

53

iDNPα • 3iDVα

• 3iaire NDF α

23

iDNV

Pα •

NV

Faireα •

A continuación se describen algunas características de las relaciones utilizadas para

el escalamiento de biorreactores.I. kLa constante. Este criterio es importante y comúnmente empleado para evaluar la

eficiencia en fermentaciones aeróbicas, donde la intención es suministrar suficiente oxígeno para satisfacer las necesidades del microorganismo. Para el escalamiento de fermentaciones

aeróbicas, el efecto del transporte de masa gas líquido es el factor mas importante, por lo

que, el escalamiento se realiza manteniendo el valor de k La constante.Considerando correlaciones para k La con la potencia por unidad de volumen del

sistema aireado (Pg /V) y la velocidad superficial del gas (VS). Para el escalamiento a k La

constante, se tiene que

M = constante = D

F

D

P

2/3

i

aire

i

g

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

23

pero para un sistema aireado:

F

D N W' =

D

P1/4

aire

/

i

7/2

i

g

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ 273

De donde se llega a

5


6/9

5/42

2aire

1aire

13/21

i2

i112

F

F

D

D N = N ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

En la práctica se ha encontrado que manteniendo el k La relativamente constante, se

pueden obtener buenos resultados.

0 5 10

(B )

5

2.5

K aL

X

1 2

3

3

0 5 10

(Streptomic ina)

1.0

0.5

K aL

Cuando se mantiene la similitud geométrica, la correlación más utilizada es:a b

k = f[(P /V) (V ) ]g s

V del reactor a b

5 L 0.95 0.667

500 L 0.6 – 0.7 0.667

50000 L 0.4 – 0.5 0.500

¿Cuál es el valor del k La que se utilizará para el diseño a escala industrial?

El valor que asegure resultados satisfactorios. En la mayoría de las fermentaciones,el rendimiento y la productividad (γ) tienden a incrementarse cuando el valor del k La se

aumenta. El valor del k La (determinado mediante estudios de optimización) seleccionado

para escalar procesos es representado en la siguiente figura.

K aL

Usualmente se utiliza el factor k La constante para fines de escalamiento. Sin

embargo, en algunas fermentaciones (particularmente aquellas realizadas con organismosfilamentosos) donde hay formación de pellets, el tiempo de mezclado, las fuerzas de corte y

otros parámetros, son muy importantes y deben tenerse en cuenta. No obstante, es

imposible llevar a escala industrial un proceso en particular (cuando se ha determinado que

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varios factores deben considerarse), si las condiciones geométricas deben mantenerseconstantes.

II. Potencia por unidad de volumen (P/V) constante. Es el criterio clásico deescalamiento en Ingeniería Química, que permite mantener el nivel de agitación. Al

momento de aplicarlo se debe tener cuidado de no sobrepasar los límites tanto de esfuerzode corte máximo y nivel de trasferencia de oxígeno mínima. Este método está basado enasumir proporcionalidad entre el consumo de potencia por unidad de volumen y la

eficiencia de aireción. Tal porporcionalidad es casi siempre cierta, sobretodo en flujos

turbulentos. Desafortunadamente, no siempre es posible trabajar en flujo turbulento, por

ejemplo cultivos viscosos como hongos y estreptomices.Cuando se utiliza este criterio es necesario considerar el sistema tanto con aireación

como sin aireación.

II.1 Sistema no aireado. Cuando no se tiene aireación en el sistema, basados en P/Vconstante, se toma el número de potencia Np como:

D N gP = N 5i

3c

P ρ

Para escalamiento:

constante= D N 2

i

3

Entonces, para dos escalas diferentes se plantea que:

D

D N = N

D N = D N

2

i

i3

1

3

2

2

i

3

2

2

i

3

1

2

1

21

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛

D

D N = N

2/3

i

i

12

2

1

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

II.2 Sistema aireado. A partir de observaciones realizadas por Cooper y col. (1944),Michel y Miller (1962) establecieron la relación entre el consumo de potencia en sistemasaireados y no aireados, que puede expresarse como:

F

D N w=

P

P

1/4a

/

i

1/2g

⎟⎟ ⎠

⎞

⎜⎜⎝

⎛ 23

Para escalamiento:

constante=V

P =

D

P g

i

g

3

7


8/9

constante=F

D N

1/4

a

/

i

7/2 27

Por lo que

F F

D D N = N

1/14

1a

2a

i

i12

2

1

⎟⎟ ⎠ ⎞⎜⎜

⎝ ⎛ ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Un ejemplo de la aplicación del escalamiento a P/V constante se muestra en lasiguiente gráfica:

0 1.0 2.0

Y(Penic ilina)

10000 galones

200 galones

5 litros

III. Velocidad en la punta del impulsor constante. La aplicación de este método deescalamiento es útil para organismos que son paricularmente susceptibles al daño por

esfuerzos de corte o mecánico. El método fue aplicado por Midler y Finn (1966) para el

escalamiento exitoso de un cutlivo de protozoarios en un biorreactor de tanque agitado.

IV. Número de Reynolds constante (Calidad de mezclado constante). Es un tipo decriterio de similitud dinámica, que asegura un nivel de agitación adecuado, donde se debentener en cuenta los mismos puntos que para el criterio de potencia por unidad de volumen.

Si NRe es constante

( ) ( ) constante= D N = D N 2

2

i1

2

i

En reactores grandes se pueden encontrar características no uniformes:

- Fermentadores de 500 litros o menos se consideran como bien mezclados.

- Fermentadores de 5000 litros o más se consideran como pobremente mezclados, por loque se pueden encontrar grandes diferencias de concentración de sustratos, temperatura,

oxígeno disuelto. etc.

V. Faire /V constante. Cooper et al. (1994) demostraron la proporcionalidad entre la

eficiencia de aireación y el consumo de potencia por unidad de volumen cuando lavelocidad superficial del aire se mantenía constante. En el escalamiento bajo este parámetro

es necesario alterar el flujo volumétrico de aire, para mantener constnte la velocidadsuperfical del aire constante en ambas escalas.

NOMENCLATURA

ρ - densidad del medio de cultivoμ - viscosidad

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D - diámetro del impulsoriD - Diámetro del tanquetgc – constante gravitacional (9.81 m/s)

N - velocidad del impulsorF – flujo de aireaire

P – potenciaP – potencia gaseadagV – volumen de líquido

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