Oxygen Transfer Rate (OTR)

Oxygen Transfer Rate (OTR), o tasa de transferencia de oxígeno, es la velocidad a la que el oxígeno pasa de la fase gaseosa a la fase líquida de un sistema. En fermentaciones, cultivos celulares y otros bioprocesos aeróbicos, la OTR indica cuánto oxígeno puede suministrarse al medio por unidad de tiempo y volumen, por lo que es un parámetro fundamental para evaluar si la transferencia de oxígeno puede cubrir la demanda metabólica del cultivo.

¿Cómo funciona la Oxygen Transfer Rate?

La transferencia de oxígeno está impulsada por la diferencia entre la concentración de oxígeno que tendría el líquido en equilibrio con la fase gaseosa y la concentración real de oxígeno disuelto en el medio. En sistemas agitados y aireados, esta transferencia depende de la mezcla, la dispersión del gas y el área de contacto entre las fases gaseosa y líquida.

Una expresión utilizada habitualmente para describir este fenómeno es OTR = kLa × (C* − C_L). En esta relación, kLa representa el coeficiente volumétrico de transferencia de masa, C* es la concentración de oxígeno en equilibrio o saturación y C_L corresponde a la concentración real de oxígeno disuelto.

Por lo tanto, la OTR puede aumentar cuando mejora la capacidad de transferencia de masa del sistema o cuando aumenta la diferencia entre la concentración de equilibrio y la concentración real de oxígeno.

¿Por qué es importante la OTR en bioprocesos?

Las células y los microorganismos aeróbicos consumen oxígeno de forma continua. A medida que aumenta la concentración de biomasa, también puede aumentar considerablemente la demanda de oxígeno. En cultivos de alta densidad, la capacidad de transferencia de oxígeno puede convertirse en una de las principales limitaciones del proceso.

Cuando la OTR es menor que la velocidad de consumo de oxígeno del cultivo, la concentración de oxígeno disuelto tiende a disminuir. Una limitación prolongada de oxígeno puede modificar el crecimiento celular, el consumo de sustratos, las rutas metabólicas, la formación de biomasa y la producción de metabolitos o bioproductos.

¿Qué factores influyen en la OTR?

La tasa de transferencia de oxígeno depende de diferentes condiciones operativas y propiedades del sistema, entre ellas:

• velocidad de agitación;
• caudal de aireación;
• composición del gas;
• presión;
• temperatura;
• geometría del reactor o recipiente;
• volumen de trabajo;
• viscosidad y composición del medio;
• área de contacto entre gas y líquido.

Las condiciones que favorecen la dispersión del gas y la renovación de la interfaz gas-líquido suelen aumentar la transferencia de oxígeno, aunque el efecto específico depende de las características de cada sistema.

OTR, OUR y oxígeno disuelto

La OTR suele analizarse junto con la Oxygen Uptake Rate (OUR), que representa la velocidad con la que las células o microorganismos consumen oxígeno. Cuando la OTR es suficiente para compensar la OUR, el sistema puede mantener la disponibilidad de oxígeno. Si la OUR supera la OTR, el oxígeno disuelto normalmente disminuye.

La relación entre OTR, OUR y oxígeno disuelto permite interpretar cambios metabólicos, detectar limitaciones en la transferencia de oxígeno y optimizar estrategias de agitación y aireación.

Aplicaciones de la Oxygen Transfer Rate

La OTR se utiliza en el desarrollo, caracterización, optimización y escalado de bioprocesos aeróbicos. Entre sus principales aplicaciones se encuentran la fermentación microbiana, el cultivo de bacterias y levaduras, el cultivo celular, la producción de biomasa y el desarrollo de procesos biotecnológicos.

También permite comparar recipientes de cultivo, volúmenes de trabajo, condiciones de agitación, estrategias de aireación y configuraciones de reactores. Esta información es especialmente relevante durante el escalado, ya que sistemas de diferente tamaño pueden presentar capacidades de transferencia de oxígeno distintas incluso cuando se utilizan condiciones operativas aparentemente similares.

Preguntas frecuentes sobre Oxygen Transfer Rate (OTR)

¿Cuál es la diferencia entre OTR y oxígeno disuelto?

El oxígeno disuelto indica cuánto oxígeno está disponible en el líquido en un momento determinado, mientras que la OTR indica la velocidad con la que el oxígeno se transfiere desde la fase gaseosa hacia el líquido.

¿Cuál es la diferencia entre OTR y OUR?

La OTR representa el suministro de oxígeno al líquido y la OUR representa su consumo por células o microorganismos. Compararlas permite evaluar si la transferencia de oxígeno es suficiente para satisfacer la demanda metabólica.

¿Cómo se puede aumentar la Oxygen Transfer Rate?

La OTR puede incrementarse mediante cambios en la agitación, aireación, composición del gas, presión o contacto gas-líquido. La estrategia adecuada depende del reactor, del medio y del sistema biológico.