Influencia de materiales y viscosidad en biorreactores
Influencia del material del reactor
Los biorreactores agitados disponibles comercialmente tienen diferentes especificaciones técnicas y propiedades. Un parámetro importante es el material del biorreactor. Tiene una fuerte influencia en el rendimiento general del biorreactor. Los parámetros de ingeniería, como el coeficiente de transferencia de masa y los parámetros de funcionamiento, como la frecuencia de agitación más alta aplicable, están influenciados por las propiedades de la superficie de un biorreactor sacudido por agitación. Los matraces de agitación están hechos tradicionalmente de vidrio de borosilicato. Los frascos desechables hechos de policarbonato (PC) o polipropileno (PP) están disponibles comercialmente en la actualidad. Las placas de microtitulación se producen principalmente como desechables y, a menudo, están hechas de poliestireno (PS). También se pueden utilizar otras materias primas, por ejemplo, politetrafluoroetileno (PTFE, Teflon), polipropileno, polimetilmetacrilato (PMMA) o vidrio, para la fabricación de placas de microtitulación. Las propiedades de los materiales varían considerablemente. Las propiedades superficiales pueden ser hidrofílicas o hidrofóbicas. Se pueden usar tratamientos superficiales específicos para modificar las propiedades de la superficie. Este enfoque se eligió para comparar la transferencia de oxígeno en biorreactores de pequeña escala por agitación. Se encontró que el OTRmaxdisminuye en al menos un 50% en matraces de agitación hidrófobos desbalanceados en comparación con matraces hidrófilos.Esta disminución en los matraces hidrófobos es causada por una formación reducida de la película líquida en la pared del matraz. Por lo tanto, casi no se forma un área de transferencia de masa en la pared del matraz. Un comportamiento similar se observa en las placas de microtitulación. En placas con una superficie de pozo hidrófilo, se pudo observar un aumento del OTRmax en comparación con las placas hidrófobas con las mismas frecuencias de agitación. Sin embargo, la mayor frecuencia de agitación aplicable a la que aún no sale líquido de los pozos se reduce en las placas hidrófilas. Como consecuencia, el OTRmaxtotal que se puede alcanzar en ambos tipos de placas es aproximadamente el mismo. Además de las propiedades superficiales del recipiente agitado, la propia propiedad del líquido influye en la característica de humectación de la pared del recipiente. Doig y otros han verificado este efecto para diferentes combinaciones de material / líquido. Se encontró un aumento de hasta el doble del área de transferencia de masa total si se usaba un líquido con tensión superficial reducida.
Influencia de la viscosidad.
La caracterización de la transferencia de masa en biorreactores agitados en la literatura se basa comúnmente en el supuesto de líquidos de viscosidades similares al agua. Las correlaciones publicadas sobre el coeficiente de transferencia de masa volumétrica kLay la capacidad máxima de transferencia de oxígeno OTRmaxno se pueden aplicar para líquidos de viscosidades elevadas. Sin embargo, en los procesos biotecnológicos, la viscosidad de los caldos de cultivo puede aumentar debido a la formación de productos específicos, como, por ejemplo, alginato, ácido 𝛾-poliglutámico o xantano. Las viscosidades elevadas de hasta 110 mPa sen matraces de agitación se reportan en la literatura disponible. Para mejorar el rendimiento de la mezcla y la transferencia de oxígeno en biorreactores agitados a viscosidades elevadas, se pueden introducir deflectores. Sin embargo, los baffles aumentan el riesgo de trabajar en condiciones de operación fuera de fase. En consecuencia, una configuración de biorreactor adecuada debe seleccionarse cuidadosamente. En matraces de agitación desbalanceados, se pudo observar un aumento contra intuitivo del OTRmaxpara líquidos de viscosidades elevadas de hasta 10 mPa s. Este aumento de OTRmaxse explica por un aumento del espesor de la película en la pared del matraz a viscosidades elevadas. El aumento del espesor de la película eleva el gradiente de concentración de conducción de la difusión de oxígeno en la película líquida. Se muestra que el OTRmaxy el gradiente de concentración de conducción más alto se alcanzan a viscosidades de10 mPa s. A viscosidades aún más altas (> 20 mPa s), el OTRmaxdisminuye nuevamente debido a una reducida difusividad de oxígeno en el líquido. Sin embargo, Giese demostró para viscosidades de hasta 80 mPa s que OTRmax no socava los valores iniciales de OTRmaxde viscosidad similar al agua (1 mPa s) nuevamente. En contraste, en los biorreactores de tanque agitado, se observa una disminución del OTRmaxde hasta el 95% del valor inicial de OTRmaxa viscosidades similares al agua a una viscosidad de 80 mPas. Esta fuerte disminución del OTRmaxse explica por una reducción del área de transferencia de masa debido a una reducción de la burbuja y una mayor coalescencia de las burbujas de gas en biorreactores aireados por burbujas. Además, el coeficiente de difusión disminuye al aumentar la viscosidad. En los biorreactores agitados, la potencia de entrada y, por lo tanto, el coeficiente de transferencia de masa kL aumenta al aumentar la viscosidad (en condiciones de operación en fase). El aumento del valor kLcompensa la reducción del coeficiente de difusión. Como consecuencia, la transferencia de oxígeno en biorreactores agitados se reduce solo ligeramente a viscosidades elevadas.