Ciencia

No. REGISTRO ISSN 00000349
REGISTRO DE DERECHOS DE AUTOR 04-2011-101713375500-203
Año 3, núm. 22, Marzo 2014.    Publicación bimestral

Diseño y caracterización hidrodinámica teórica y práctica de una columna de burbujeó simple a nivel laboratorio

Por:

  • Pérez Fernández Sandra Fabiola
  • Pérez García Jocelyn Zitlalxochitl
  • Rodríguez Rodríguez   Andrea
  • Sandoval Ray Christian

*M. en C. Eduardo Bazán Lugo

INTRODUCCIÓN

En general, los biorreactores de columna de burbujeo son los más simples con respecto a su configuración. El diseño básico consta de un recipiente cilíndrico con una relación altura a diámetro de 2:5 en ingeniería bioquímica y están equipados con un difusor de aire en el fondo. Son ampliamente utilizados en la industria química, petroquímica y bioquímica. El líquido contenido en el biorreactor es mezclado debido al movimiento ascendente de las burbujas de aire, las cuales proporcionan también el oxígeno necesario para las células (Degaleesan, 2001). El diseño y escalamiento de estos reactores ha obtenido una considerable atención en los últimos años debido a  su compleja hidrodinámica y su influencia sobre el fenómeno de transporte característico. Entre los principales aspectos a considerar en el diseño de una columna de burbujeo están los fenómenos de: mezclado,  coeficiente de transferencia de masa, dinámica y régimen de fluidos, retención de gas, características de las burbujas, velocidad de gas, tiempo de mezclado, área específica de contacto gas-líquido, etc. (Nigar, 2005). En el área de la industria farmacéutica, biológica y de tejidos utilizan bolsas desechables que pueden ser acondicionadas y usadas como un biorreactor, en la industria biotecnológica el uso de reactores desechables se ha incrementado debido a las facilidades de producción y costo en recientes años. (Leigh y Paul, 2004). En la industria farmacéutica y biotecnológica se han encontrado varias ventajas en el uso de reactores de bolsa desechables como: fácil eliminación y menor riesgo de infección de los tejidos, cortos tiempos muertos y de reinicio al inicio  y final de un ciclo debido a que no es requerida la esterilización (Fox, 2005). Por otra parte las nuevas tecnologías y desarrollo de biorreactores se ha encaminado hacia la mejora de fenómenos como la transferencia de calor, momento y masa; reduciendo los efectos cortantes y de estrés hidrodinámicos asociados a los agitadores convencionales y sistemas de aireación (Trujillo y Valdez, 2009), siendo las columnas de burbujeo y los tipo Air-lift los que menor estrés y efecto cortante ofrecen (Merchuk y Niranjan, 1994). Recientes estudios han reportado el uso de columnas de burbujeo en el área de biotecnología con el uso de microorganismos  para la producción de enzimas, proteínas, antibióticos, ácido acético y etanol (Nigar, 2005).

MATERIALES Y MÉTODOS

Diseño de la columna de burbujeo

Para el diseño de la columna de burbujeo se consideraron las dimensiones usualmente utilizadas en ingeniería bioquímica las cuales  tienen una relación diámetro-altura que van de 2-5, considerando un volumen de 4 litros que equivale al 80% del volumen de trabajo, la  altura fue de 0.40 m y  0.1 m de diámetro interno; el material empleado fue de vidrio y tapadera con 2 orificios donde se adaptó un difusor poroso empleado para acuarios  con un área de 4.7 cm2. Para la inyección de aire se empleó una bomba para pecera marca Heto® con una potencia de 4 Watt y dos velocidades de flujo de 0.5 y 1.0 L/min. Estas velocidades se ajustaron por medio de unas pinzas de presión directa a la manguera a  sus velocidades medias, obteniéndose 4 distintas velocidades de aireación: 0.25, 0.5, 0.75 y 1.0 l/min.

Dinámica de mezclado, régimen del fluido, diámetro medio de burbuja y tiempo de mezclado

La determinación dinámica, el régimen del fluido y el tiempo de mezclado se llevó a cabo de manera visual: Se agregó 4 litros de agua a la columna, se puso en operación la bomba de aireación y se le agregó 0.5 ml de azul de metileno, esto se registró de manera visual y con una cámara digital Olimpus® modelo Tg-820 de 12 mp Waterproof. Se realizaron seis réplicas del procedimiento anterior  para las cuatro velocidades de aireación. A partir de la ecuación (1) se determinó el diámetro medio de la burbuja, dms, (diámetro medio de Sauter).

(1)

 

 

Donde ni es el número que presentó un diámetro determinado y dbi el valor del diámetro de las burbujas. Para determinar los diámetros de las burbujas se puso el reactor en operación con las dos velocidades de aireación, se tomaron las fotografías y se determinó el diámetro de alrededor de 20 burbujas. El diámetro de las burbujas fue calculado de acuerdo a la relación de la dimensión del reactor y la fotografía.

La dinámica de mezclado, el régimen de burbujeo y el tiempo de mezclado fueron determinados a partir de las distintas velocidades; de manera visual y con ayuda de una videograbación se determinó el tiempo en que tarda en mezclarse una gota de azul de metileno, al igual  en cómo fue la dinámica de mezclado. De la misma manera se determinó el tiempo de mezclado en el instante en que la coloración se mantenía constante. Esto se realizó por triplicado para cada velocidad.

Cociente de retención de gas (Fracción volumétrica de gas)

La retención de gas se determinó empleando las ecuaciones (2) y (3) para las dos velocidades de aireación por duplicado.

donde

εG es la fracción volumétrica de gas en el sistema gas-líquido, VG el volumen de la fase gas y VL el volumen de la fase líquida.

VG se calculó como sigue:

(VG) = VF – VL (3)

siendo VF el volumen ocupado por el sistema gas-líquido y VL el volumen ocupado por el líquido sin aireación.

Área específica interfacial

La determinación del área específica interfacial se llevó a cabo mediante la correlación propuesta por Calderbank (Daly, 1992).

Donde a´ es el área específica de contacto gas-líquido (m-1)

 

Determinación teórica del coeficiente global de transferencia de oxígeno

Para determinar el coeficiente global de transferencia de oxígeno (KLa), primero se calculó el coeficiente de transferencia de masa en la fase líquida (KL) y posteriormente se multiplicó por el área específica interfacial por unidad de volumen de la columna (a´). El KL se calculó mediante la correlación de  Akita y Yoshida (5) (Nigar, 2005). El KLa se calculó con dos velocidades de aireación, alto de 1.0 y bajo de 0.25 l/min.

 

Donde SC (Schmidt) = Vc/D, Bo (Bond) = gρLDr2/ז y Ga (Galileo)= gDr3/Vc; son números adimensionales y D es la difusividad del oxígeno en agua (cm2/s), Vc es la viscosidad cinemática del líquido (cm2/s), g es la aceleración gravitacional (cm/s2), ρL la densidad del líquido y Dr el diámetro del reactor (cm) y ז es  la tensión superficial en g/s2.

Para agua a 20°C D =2.10 X 10-5 cm2/s, ρL = 0.9982 g/cm3, g = 980.665 cm/s2 y ז= 72.8 g/s2 (Geankoplis, 1999)

Resultados y discusión

En la figura 1 se puede observar que el tiempo terminal de mezclado a una velocidad de 0.5 l/min fue de 6 s, en esta figura también se puede observar la dinámica del mezclado, en la cual  el fluido asciende por el centro y desciende por las paredes de la columna; el tiempo de mezclado para las diferentes velocidades no presentó diferencias significativas (P>0.13), esto posiblemente debido a las limitaciones de nuestro equipo para poder determinar valores más precisos y cortos de tiempo.

En la figura 2a se puede apreciar el régimen de burbujeo a la velocidad de aireación más alta, 1.0 l/min, el cuál se definió como turbulento o heterogéneo, el régimen homogéneo se presentó para las velocidades más bajas (0.25  y 0.5 L/min). La colisión de las burbujas al incrementar la velocidad de aireación puede explicar lo anterior. Los diámetros de la burbuja promedio obtenidos a partir de las seis distintas velocidades indicaron que éstos disminuyen a medida que  la velocidad incrementa (fig. 2c). A partir de los valores obtenidos en los diámetros promedios de las burbujas para las distintas velocidades de aireación, el análisis de varianza indicó un valor de P<0.05, por lo que la velocidad de aireación tuvo un efecto significativo sobre el diámetro de la burbuja.

En la figura 2b se aprecia el comportamiento de la retención de gas con respecto a la velocidad de aireación, ésta parece tener un efecto positivo al principio, pero se puede observar que al llegar a la velocidad de 1L/min la fracción volumétrica de gas comienza a decaer; lo cual se explica con el incremento del diámetro de burbuja, y menor cantidad de gas. De manera similar se puede observar el mismo comportamiento para el área específica (figura 2d), donde, un incremento de la velocidad de aireación contribuye al incremento del área hasta que ésta comienza a decaer la velocidad más alta.

La determinación teórica del coeficiente de transferencia de oxígeno, KLa, bajo las dos velocidades fueron de 0.53 y 0.15 s-1 para los flujos alto y bajo respectivamente. Similares resultados obtienen García-Ochoa y Emilio Gómez (2009), donde evaluaron el KLa con distintos métodos de medición.

Conclusiones

La determinación de  la retención de gas, el tiempo y la hidrodinámica de mezclado, así como el coeficiente de transferencia de masa (KLa) en una columna de burbujeo, son parámetros muy importantes a considerar al momento del diseño y evaluación de un biorreactor, debido a que dichos parámetros condicionarán el crecimiento óptimo de un microorganismo, la velocidad de una reacción química o enzimática. Con la ayuda de correlaciones es posible realizar y evaluar la hidrodinámica de una columna de burbujeo a nivel laboratorio, de fácil manejo y económica.

Referencias

  1. Bailey E. J y Ollis F. D. (1986). Biochemical Engineeríng  Fundamentals.II Edición. Mc. Graw Hill, U. S. A. Pag. 473-475.
  2. Daly J, Patel J y Bukur D. (1992) Measurement of gas hold ups and sauter mean bubble diameters in bubble column reactors by dynamic gas disengagement method. Chemical Engineering Vol. 47 Pág. 3647–54.
  3. Degaleesan S, Dudukovic M, Pan Y. (2001) Experimental study of gas induced liquid-flow structures in bubble columns. AIChE Journal. Núm. 47, Instituto Americano de Química.
    1. Felix García-Ochoa, Emilio Gómez (2009) Bioreactor scale-up and oxygen transfer rate in microbial processes: An overview. Biotechnology Advances, Vol. 27  153–176.
    2. Fox Sandra. (2005). The impact of disposable bioreactors on the CMO industry. Contract Pharma
    3. Geankoplis Christie J. (1999). Procesos de transporte y Operaciones Unitarias. Compañía Editorial Continental. II Edición. México. Pág. 940, 944, 955.
    4. Leigh N. Pierce y Paul W. Shabram. (2004). Scalability of Disposable Bioreactor from 25L – 500L Run in Perfusion Mode with a CHO-Based Cell Line: A Tech Review. BioProcessing Journal. Pág. 51-56.
    5. Merchuk y Niranjan. (1994). Why use bubble column bioreactors. TIBTECH. Núm. 12, Pág. 501–511.
    6. Nigar Kantarcia, Fahir Borak, Kutlu O. Ulgen. (2005). Bubble column reactor, Process Biochemistry. Núm. 40. Pág. 2263–2283

10.  Trujillo-Roldán Mauricio A y Valdez-Cruz Norma A. (2009). El uso de biorreactores desechables en la industria biofarmacéutica y sus implicaciones en la ingeniería. DYNA. Núm 158, Vol. 76. Pág. 275-283.

No REGISTRO ISSN 2007-4859

REGISTRO DE DERECHOS DE AUTOR 04-2011-101713375500-203

Año 3, núm. 29,  Octubre 2013.

Semiconductores en la nanotecnología

Por: Ingeniero Armando Ramírez García

Los nuevos materiales son productos de nuevas tecnologías, fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se han diseñado para responder a nuevas necesidades o a alguna aplicación tecnológica.

El rápido progreso de la electrónica durante la segunda mitad del siglo XX se explica por el refuerzo mutuo entre la investigación de materiales y su aplicación industrial. La práctica en áreas tan distintas como la ingeniería, la medicina, la construcción, las telecomunicaciones o la informática, forman parte.

 

Los avances de la física y la aparición de la electrónica, combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como:

 

Semiconductores. Materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas.

 

Superconductores. Materiales como el mercurio por debajo de 4 K de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas.

 

Piezoeléctricos. Materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras microcristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores y actuadores en dispositivos electrónicos como relojes, encendedores, micrófonos, radares, etc.

 

Otros nuevos materiales son:

 

Siliconas. Polímeros en los que las cadenas están formadas por silicio en lugar de carbono. Son materiales muy flexibles, ligeros y moldeables. Son aislantes del calor y de la electricidad y no les afectan ni el agua, ni las grandes variaciones de temperatura. No sufren rechazo en tejidos vivos. Se usan para fabricación de revestimientos exteriores, tapar y sellar grietas, fabricación de prótesis e implantes, material quirúrgico, cirugía estética, etc.

 

El coltán.  Formado por dos minerales, la columbita y la tantalita, de los que se extraen el tántalo y el niobio, metales necesarios para la fabricación de microprocesadores, baterías de móviles, componentes electrónicos, aleaciones de acero para oleoductos, centrales nucleares, etc. El 80% de las reservas conocidas se encuentra en la República Democrática del Congo. Por ello hay en esta región una amplia zona de conflicto y de guerras por el control de las minas de diamantes, oro, uranio y coltán.

La fibra óptica. Son fibras constituidas por un núcleo central de vidrio muy transparente, dopado con pequeñas cantidades de óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio con propiedades ópticas ligeramente diferentes. Atrapan la luz que entra en ellas y la transmiten casi íntegramente.

Materiales inteligentes, activos o multifuncionales: materiales como los recubrimientos termocrómicos, capaces de responder de modo reversible y controlable a diferentes estímulos físicos o químicos externos, cambian de color según la temperatura, en caso de incendio, movimientos, esfuerzos, etc. Se utilizan como sensores, actuadores, etc. en domótica y sistemas inteligentes de seguridad.

Materiales con memoria de forma: materiales como las aleaciones metálicas de níquel y titanio, variedades de poliuretano y poliestireno capaces de «recordar» la disposición de su estructura espacial y volver a ella después de una deformación. Se utilizan en sistemas de unión y separación de alambres dentales para ortodoncia, películas protectoras adaptables y válvulas de control de temperatura.

Materiales híbridos: materiales formados por una fibra y una matriz, como fibras de vidrio y de carbono con una matriz de poliéster o matriz metálica o de cerámica. Son materiales ligeros y de gran resistencia mecánica y altas temperaturas, utilizados en la industria aeronáutica y de embarcaciones, en motores y reactores de aviación.

 

El uso de estos nuevos materiales vistos desde el punto de nanomateriales. Los nanomateriales son aquellos materiales de tamaño muy reducido, cuyo diámetro es del orden del nanómetro, es decir, de las mil millonésimas de metro. Están formados por partículas inferiores a 100 nm.

La nanociencia o nanotecnología abarca los campos de la ciencia y de la tecnología en los que se estudian, se obtienen y se manipulan materiales, sustancias y dispositivos de dimensiones próximas al nanómetro. Estudia fenómenos y manipulación de escala atómica, molecular y macromolecular.

En este nivel, el comportamiento de la materia se rige por la física cuántica y aparecen nuevas propiedades y fenómenos.

La física de lo muy pequeño, como las moléculas, los átomos y las partículas elementales, es muy diferente de la física clásica, válida solo para los objetos macroscópicos.

La física cuántica se ocupa de las propiedades y transformaciones de la materia y la energía a escala microscópica.

Los nanotubos son nanomateriales con estructura tubular, construidos con carbono, con comportamiento eléctrico semiconductor y superconductor, con enorme resistencia a la tensión, muy superior al acero, y con una gran capacidad para conducir el calor. Sus aplicaciones están en fase experimental y se espera que puedan utilizarse para fabricar componentes electrónicos más reducidos y eficaces, estructuras de gran resistencia y ligereza en arquitectura, para encapsular nuevos fármacos y para el control de la contaminación ambiental.

La nanotecnología, con la herramienta del microscopio de efecto túnel, permite manejar átomos sobre superficies como elementos independientes. Las posibilidades de esta tecnología son inmensas dado que prácticamente se pueden crear las estructuras atómicas que se deseen dando la posibilidad de diseñar materiales «a la carta».

Esto ha permitido que con base en la nanotecnología y en particular al uso de nanomateriales se puedan desarrollar algunas aplicaciones como:

Fabricación de baterías flexibles de nanotubos de carbono. Baterías de papel. Pilas y condensadores ultrafinos.

LED para sustituir las bombillas tradicionales con luz fría de mayor duración y eficiencia energética.

Fabricación de nanochips. Desde el año 2000, se fabrican chips de microprocesadores de tamaño nanométrico, con lo que se multiplica el número de transistores que usan. Actualmente se investigan y fabrican nanochips autoensamblados. Aplicaciones en pantallas de TV planas y de teléfonos móviles. Dispositivos cada vez más diminutos y potentes.

De una manera particular me ha interesado el desarrollo de la siguiente tecnología:

La fabricación de un diodo LED nanoestructurado capaz de emitir en cualquier color, Los LED´s son brillantes, estables y eficientes, pero por lo general emiten un solo color. Algunos son capaces incluso de emitir dos colores. Pero Gyu-Chul Yi, de la Universidad Nacional de Seúl y su equipo han creado los LED que se pueden ajustar continuamente de rojo a azul para su uso potencial en las pantallas de los dispositivos móviles.

Gráficos y fuente (con base en APA)

En principio parece imposible que un único LED pueda emitir luz con una gran anchura espectral, pues el color emitido por cada uno de ellos viene determinado por el gap del material con el que están hechos. Este gap energético no es más que la anchura energética que existe entre la banda de conducción y la banda de valencia del material. Gracias a la investigación se han venido fabricando diferentes dispositivos, cada uno de los cuales es capaz de emitir luz en un intervalo muy estrecho dentro del espectro visible, así como en el infrarrojo y ultravioleta cercanos. Para emitir luz blanca, que está compuesta por una mezcla de colores, hubo que incorporar modificaciones en los LED convencionales. La solución comercial ha sido el empleo de materiales fluorescentes, tales como fósforos, para convertir la emisión de un azul o ultravioleta monocromática LED en otros colores. No obstante, existen problemas asociados a esta tecnología, como la disminución en la eficiencia y en la calidad del color emitido a medida que se dopa con fósforo, pues se producen defectos en el material.

Sin embargo, recientemente se ha conseguido que un diodo LED, formado por un conjunto de nanobarras nanoestructuradas de nitruro de galio (GaN), sea capaz de emitir en cualquier color del espectro, desde el rojo al azul, pasando por el amarillo y el verde, cambiando de color de forma continua al variar la tensión eléctrica aplicada. Todo ello con alto brillo y un consumo energético bajo. Sin duda un nuevo y sorprendente avance producido por la nanotecnología.

Pero, ¿Cómo se ha conseguido?

Cada una de las nanobarras de GaN tiene un recubrimiento nanoestructurado, formado por capas  alternas de InxGa1-xN (pozo cuántico) y GaN (barrera cuántica). Estos pozos y barreras cuánticas restringen el movimiento de los electrones, alterando los niveles de energía accesibles a los mismos y, con ello, la energía de los fotones emitidos. La consecuencia inmediata es que el color de la luz emitida también varía. El espesor de cada una de las capas varía de forma natural a medida que se depositan en las puntas de los micropivotes. Al variar el voltaje aplicado, se consigue que  la corriente eléctrica pase a viajar a través de capas de diferente grosor, dando lugar a que varíe el color de la luz que emite el LED.

La figura de arriba muestra el proceso de fabricación de estos LED´s. Las nanobarras de GaN  que se muestran en fig.? (a), forman la matriz. Tienen una longitud media de 520 nanómetros (1nm=10-9m), un diámetro de 220 nm y están separados entre sí por una distancia de unos 550 nm. Las paredes laterales de las nanobarras y la parte superior (pico) están nanoestructuradas, formadas por capas alternas de InxGa1-xN (pozo cuántico) y GaN (barrera cuántica). La parte superior está formada por capas alternas de InxGa1-xN y GaN con un grosor de 8±2 nm y 22±3 nm, respectivamente. Las caras laterales tienen capas alternas de InxGa1-xN y GaN con un grosor de 1,4±0,3 nm y 2,2±0,3 nm, respectivamente.

Entre las aplicaciones inmediatas de estos LEDs, destaca su uso en las pantallas (displays) de dispositivos móviles, así como televisores, etc.

El artículo técnico es Young Joon Hong et al.,”Visible-Color-Tunable Light-Emitting Diodes”,Advanced Materials, published online 3 JUN 2011; una versión menos técnica y asequible es “Photonics: Rainbow from a single LED”, Research Highlights, Nature 474: 254, 16 June 2011.

 


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