cebi e7 2: agitación y mezclado
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CEBI_E7_2: Agitación y
Mezclado
Agitación
• Es la operación física que reduce la falta de uniformidad
en el fluido, eliminando los gradientes de concentración,
temperatura y otras propiedades.
• Es una de las operaciones más importantes en
bioprocesos.
• Para crear el medio de fermentación óptimo se debe
asegurar que las células tengan acceso al sustrato
incluyendo el oxigeno en los cultivos aeróbicos.
• Además el bioreactor debe ser capaz de transferir el
calor hacia o desde el caldo suficientemente rápido como
para mantener la temperatura deseada.
La agitación involucra
• La mezcla de los componentes solubles del medio, como por ejemplo azúcares.
• Dispersión de gases como el aire a través del líquido en forma de pequeñas burbujas.
• Mantener en suspensión partículas sólidas como son las células.
• De ser necesario, dispersar líquidos inmiscibles para formar una emulsión o suspensión de gotas finas.
• Promoveer la transferencia de calor hacia o desde el líquido.
Geometría del bio-reactor
𝐷𝑎
𝐷𝑡= 0,5
𝐻
𝐷𝑡= 1
𝐶
𝐷𝑡=
1
3
𝑊
𝐷𝑎=
1
5 ;
𝐷𝑑
𝐷𝑎=
2
3
𝐿
𝐷𝑎=
1
4
𝐽
𝐷𝑡=
1
12
Bafles o deflectores
Bordes redondeados
Patrones de flujo
SIN BAFFLES
FLUJO RADIAL
Líneas de flujo con los deflectores (FLUJO RADIAL con turbina de seis aspas con disco)
FLUJO AXIAL
SI
SIN
BA
FL
E
CO
N
BA
FL
E
Agitadores para
mezclado Rushton turbine
Reactores agitados
Selección de agitadores
en función de la
viscosidad del medio
Agitadores • Propulsor de tres aspas. o tipo marino (lanchas con motor fuera de
borda). Velocidades de 400 a 1750 rpm. Baja viscosidad. Flujo
axial.
• De paletas. (sistemas de 2 a 4 paletas planas) De 20 a 200 rpm.
Buen flujo radial pero poco flujo axial o vertical→no es efectivo
para sólidos en suspensión.
• Paletas de anclas. Barren o raspan las paredes del tanque y a
veces del fondo. Evitan que los líquidos viscosos generen
depósitos en las paredes y mejoran la transferencia de calor hacia
las mismas.
• De turbina. (de 4 a 6 aspas) semejante a paletas pero las aspas
son más cortas. Aspas cortas→flujo radial. Aspas cortas e
inclinadas (45°)→ flujo (radial+axial)→”útil para sólidos en
suspensión”.
• De banda helicoidal. Soluciones sumamente viscosas. Opera a
pocas rpm y flujo laminar.
Mecanismos de
mezclado
• DISTRIBUCIÓN → MACROMEZCLADO
• DISPERSION
→(MACRO+MICRO)MEZCLADO
• DIFUSION →MICROMEZCLADO
Mecanismo Controlante
Tiempo de mezclado
(tm) • Ci: concentración inicial del
trazador en el tanque
• Cf: concentración final
• tc: tiempo de circulación (una vuelta)
• tm: tiempo de mezclado.
• Para un tanque con varios baffles y un agitador pequeño tm ≈ 4 tc.
• Para escala industrial (1-100 m3 , tm ≈ 30 -120 seg, dependiendo de las condiciones. Para turbinas Rushton
y Re > 5000
Tiempo de mezclado
Para impeller
Re en tanques
agitados
En este caso,
corresponde al
diámetro del
agitador Da
Potencia
Para fluidos newtonianos sin airear
Flujo Laminar Re < 10 turbinas Re ≤ 100 para anclas o tipo helicoidales
Valores de constantes para el uso
de ecuaciones de potencia
Tipo de agitador k (Re ≈ 1) Np (Re ≈ 105)
Turbina Rushton 70 5-6
Paletas 35 2
Propulsor (3 aspas) 40 0,35
Ancla 420 0,35
Helicoidal 1000 0,35
Fluidos aireados
• El burbujeo del gas reduce los
requerimientos de potencia: – En parte, por reducción de la densidad del fluido debido
a la presencia de burbujas.
– Las burbujas afecta el comportamiento hidrodinámico del
fluido alrededor del agitador.
• Se puede estimar la relación de potencia
cuando hay aireación, mediante la
siguiente expresión:
Caudal volumétrico del aire
Ancho del agitador
Dispersión de gas
Suspensión de
partículas solidas
Que sucede dentro
del reactor?
Velocidad de
deformación en
diferentes
posiciones con
respecto del
impulsor
Ley de viscosidad de Newton
para fluidos newtonianos
Que le sucede a la
célula?
Que le sucede a la
célula?
ESTRES
HIDRODINAMICO
Estrés hidrodinámico
Estrés hidrodinámico
Estrés hidrodinámico
Estrés hidrodinámico
SI LA LONGITUD DEL EDDY “l ” ES MENOR O IGUAL AL TAMAÑO DE LA CELULA
DAÑO
CELULAR
Estrés hidrodinámico
Estrés hidrodinámico
ESCALADO
• Los objetivos principales en el escalado de la agitación son:
• Igual movimiento de líquidos,
• Igual suspensión de sólidos o
• Iguales tasas de transferencia de masa.
• El criterio de igual tiempo de mezcla es imposible, en la práctica, de mantener porque a medida que aumentamos el volumen aumentaría marcadamente la potencia.
• Inevitablemente al trabajar a mayores volúmenes incrementaremos el tiempo de mezcla.
Escalado
• Los objetivos principales en el escalado de la agitación son:
• Igual movimiento de liquidos,
• Igual suspensión de sólidos o
• Iguales tasas de transferencia de masa
• El criterio de igual tiempo de mezcla es imposible, en la práctica, de mantener porque a medida que aumentamos el volumen aumentaría marcadamente la potencia
• Inevitablemente al trabajar a mayores volúmenes incrementaremos el tiempo de mezcla.
Procedimiento recomendado
en el aumento de escala
• Calcule la razón de aumento de escala,
• Calcule las nuevas dimensiones, multiplicando por R.
• Para determinar la velocidad del agitador, tener en cuenta:
– n = 1, para igual movimiento de líquidos.
– n = ¾ , para igual suspensión de sólidos.
– n = 2/3, para iguales tasas de transferencia de masa
Estrategias para
mejorar el mezclado en
fermentadores
Configuraciones comunmente
empleadas para fermentadores
• Tanques agitados (monofásicos/sol-liq/gas-liq-sol).
• Columnas de burbujeo (gas-liq/gas-liq-sol)
• Air-lift o reactor de arrastre (gas-liq/gas-liq-sol).
Configuraciones comunes
en fermentadores
• Configuraciones de circulación interna inducida por flujo
de aire “air lift”.
Otros sistemas mixtos o
híbridos