INSTITUTO TECNOLGICO DE MERIDA.DEPARTAMENTO DE BIOQUIMICA AMBIENTAL

ING. BIOREACTORES.M.C. Alicia Cardos Vidal.

ALUMNO(a): JULIETA MARIA CHAN CAMPOS. GRUPO: 7BQ.CICLO ESCOLAR: AGOSTO-DIC 2012.

UNIDAD 5: ESCALAMIENTO. 5.2.Correlaciones para el escalamiento. 5.2.1 Esfuerzo de corte. 5.2.2 Reynolds.

INTRODUCCIN. Los bioprocesos se desarrollan e implemnetan de diferentes maneras en sus escalas de: Laboratorio. Piloto y Manufarctura. Se estudiar el movimiento de los fluidos y las fuerzas que lo producen, as como la transferencia de materia entre ellos y sus limitaciones. Las fuerzas que actan sobre un fluido: presin y esfuerzo cortante provienen de una transferencia microscpica (molecular) de cantidad de movimiento.

ESCALAMIENTO. La informacin sobre la cintica referida al

Los fenmenos de transporteson los nicos fenmenos que son dependientes del escaldo. Nmeros adimensionales. Correlaciones empricas. Tanto el tamao del reactor como la distribucin dependen de del

metabolismo del cultivo o m.o obtenido a pequea escala es independiente de la escala: pH, temperatura, medio de cultivo, calidad de las materias primas.

producto

modelo de flujo.

FENOMENOS DE TRANSPORTE. Los fenmenos de transporte toman

importancia al trabajar con clulas a escala ya que las distancias entre las clulas, nutrientes y productos (metabolitos) son

mucho mayores. Afecta a la velocidadglobal del proceso ms an que la

velocidad de reaccin.

Definicin de fluido. Es una sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicacin de deformacin un esfuerzo una cortante. velocidad El ngulo de de

posee

aumento

proporcional a la magnitud del esfuerzo aplicado. Un cuerpo elstico o un slido slo se deforman hasta un cierto ngulo proporcional al esfuerzo cortante aplicado. -A diferencia de un fluido en reposo la existencia de un perfil de velocidad (gradiente de velocidad) en el fluido gener la aparicin de un esfuerzo cortante.

El transporte puede ocurrir: En el seno de fluido o entre un fluido y un slido. 1) Un fluido disipa energa por rozamiento lo que se traduce enun transporte de cantidad de movimiento entre las regiones con distinta velocidad. 2) Un sistema con regiones a distintas temperaturas transporta energa desde la regin mas caliente hacia la mas fra. 3) Una mezcla de dos o mas componentes con regiones con diferentes concentraciones transporta materia desde la zona mas concentrada hacia la menos concentrada.

Criterios de Escalamiento.

1.Coeficiente de transferencia de oxigeno. KLa

6.-Transferencia de masa y calor.

7.Mantencin del nmero de Reynolds.

2.- Potencia por unidad de volumen. P/V

5.-Coeficiente de dispersin axial.

8.- Velocidad de bombeo del aire.

3.Velocidad tangencial de agitacin.

4.-Tiempo mezclado.

de

Seleccin del criterio de escalamiento.La seleccin del criterio de escalamiento depender de cul es la variable ms importante para Similitudes el crecimiento del microorganismo ygeomtricas:

para la produccin de producto deseado, por ejemplo: Fragilidad del m.o. Trasferencia de O2.

SIMILITUD EN ESCALAS:Similitudes cinemticas:. Similitudes dinmicas:

Los reactores pueden clasificarse segn los siguientes criterios. Tipo de modelo de flujo ideal al que tiende (mezcla perfecta, flujo en pistn) o real. Nmero de fases en contacto homognea, heterognea. Modo de operacin continuo, semicontinuo, discontinuo. Evolucin en el tiempo: rgimen estacionario y no

estacionario. Tipo de reaccin qumica: cataltica, bioqumica,

esterificacin.

Las zonas muertas. Los cortocircuitos. Y las canalizaciones.

Macrofluido. Microfluido.

Potencia.0 La agitacin se puede definir mediante la relacin

existente entre la potencia consumida por el sistema ylas variables de operacin.0 La potencia absorbida durante la agitacin de un

mecanismo se representa a travs del nmero depotencia Np.0 Este nmero adimensional depender de si el sistema

est aireado o si no lo est.

Potencia por unidad de volmen. Permite mantener el nivel de agitacin. Para la estimacin de la potencia es preciso disponer de una correlacin

emprica de la potencia o de nmero de potencia en funcin de otras

variables del sistema. por anlisis adimensional en funcin: Parmetros geomtricos del tanque.

Impulsor. Viscosidad ().

Densidad del liquido().Revoluciones por (s). Al momento de aplicarlo se debe tener cuidado de no sobrepasar los

lmites tanto de esfuerzo de corte mximo y nivel de trasferencia de oxgeno mnima.

POTENCIA NECESARIA PARA AGITARLIQUIDOS NO NEWTONIANOS.0 Un fluido newtoniano es aquel que 0 La cantidad n es conocida como el

produce una relacin lineal entre el esfuerzo de corte y le velocidad de corte.

ndice de flujo y K es el ndice de consistencia, las cuales son

caractersticas de cada fluido y el

trmino

K(dv/dy)n-1

se

denomina

viscosidad aparente (ap). La mayor0 Los

fluidos

no

newtonianos

son

parte de los fluidos no Newtonianos tienen viscosidades aparentes que son relativamente altas comparadas con la viscosidad del agua.

aquellos que no siguen una relacin lineal, para lo cual se emplea la Ec. general la ley del exponente:

Continuacin.o Para el consumo de potencia en un

0 Nmero de potencia.

tanque agitado existe una relacin fija entre la velocidad (N) y el dimetro del agitador (Da)

expresado en :

0 La siguiente ecuacin expresa la

relacin de tamao de agitador yvelocidad de agitacin en

biorreactores pequeos y grandes.

eynolds.El nmero de potencia se puede correlacionar con mdulos adimensionales

que describen el movimiento del lquido en el interior del tanque, talescomo es el nmero de Reynolds para la agitacin:

De forma conjunta, en un nmero adimensional denominado Nmero de Reynolds:

Donde : Re> 2000 ----- flujo laminar. Re > 4000 ---- flujo turbulento. .

ESFUERZO CORTANTE.0 El comportamiento de un fluido depende mucho de que el

fluido este o no bajo la influencia de superficies slidas.0 En la proximidad de la pared slida, el esfuerzo cortante

ser mximo, y disminuir progresivamente a medida que

nos alejemos. Por tanto:0 Al aumentar la viscosidad de las soluciones aumenta

tambin el esfuerzo cortante sobre el agitador por lo cual

aumenta el consumo de potencia.

Continuacin0 Aumenta el rea de transferencia de oxgeno por

la formacin de pequeas burbujas mediante lacoalescencia de las burbujas de aire0 Retarda el escape de burbujas desde el lquido. 0 Previene la coalescencia de las burbujas de aire. 0 Disminuye el grosor de la interface gas/lquido al

crear un flujo turbulento

Correlaciones en Tanques agitados.Permiten estimar el valor del coeficiente de transferencia segn el tamao del reactor y de las caractersticas del medio de cultivo. Estos dependen de los valores de la

viscosidad:Medios de baja viscosidad.

Medios viscosos

Para medios de baja viscosidad. Correlacin presentada por Blanch y Clark:

Pg= potencia absorbida en un sistema aireado (W). V= volumen de liquido en el tanque (m3). Vs= velocidad superficial del gas (m/s). x= coeficiente de respectivamente. y= coeficiente de valor 0.5-0.2 para dispersiones claras y turbias respectivamente Kla (s-1). El valor de Pg/V esta dentro del rango 500-10000 w/m3. valor 0.4-0.7 para dispersiones claras y medios turbios

Para medios viscosos.Tiene una correlacin msD = dimetro del impulsor DO2 = Difusividad del oxgeno ap = Viscosidad aparente

compleja, donde el clculo se hace mediante nmeros

adimensionales y entra en juego: El dimetro del impulsor, La tensin superficial,

s = velocidad superficial del gas = tensin superficial N = velocidad de agitacin = Densidad del lquido

La velocidad de agitacin y La difusividad del oxgeno.

g = gravedad

Velocidad de agitacin.0 Permite mantener el nivel de agitacin. 0 Mantener constante la velocidad de la

punta de las paletas del agitador.

0 Equivalente a la velocidad de rotacin

del agitador de un tanque grande el cual estar en relacin a un tanque pequeo.

0 Deber ser siempre evaluada debido que

al0 La

momento

de

escalar ocurrir esfuerzos

con que de

otros se corte

velocidad

de

agitacin

es

criterios

puede los

proporcional al dimetro del agitador a la potencia 2/3, o sa:

sobrepasen

mximo aceptable dado para cuando se est trabajando con microorganismo o micelas que no resistan esfuerzos de corte mayores que los establecidos.

Hold up. Un cambio de potencia de entrada del liquido al impulsor que rota a velocidad constante debe reflejar un aumento en la relacin entre el volumen gaseoso y el volumen del gas mas el volumen del liquido llamado hold up Hr. El decremento de la potencia consumida se debe

principalmente a que el valor de la densidad del liquido en

particular alrededor del impulsor disminuye debido a laexistencia de burbujas, en un sistema aireado que depender de la manera en que interaccionen la burbuja y el impulsor.

Oxigenacin. El caudal de aire suministrado al reactor comprende valores de entre 0,5 y 1,5 volmenes de aire por volmenes de reactor y minuto. Para mejorar considerablemente la transferencia del

oxgeno a la fase lquida se acude a sistemas con agitacin. Si aumenta mucho la velocidad de burbujeo se puede producir la cavitacin del sistema mecnico de agitacin.

Limitacin P/V. En los casos de procesos dnde el producto es muy viscoso o el crecimiento es filamentoso, la limitacin la plantea la relacin P/V (o la del fluido. agitacin) se debe mantener constante la transferencia de oxigeno (kLa) como objetivo del escalado. En reactores grandes o cuando el medio es viscoso, la agitacin juega un importante rol moviendo las molculas de oxgeno disuelto

a travs del volumen del lquido. Incrementando la velocidad de agitacin se reduce el tamao de la capa lmite circundante de las burbujas y as incrementa el coeficiente de transferencia de oxgeno.

apa limite.0 Se define como la capa adyacente del flujo del fluido en

movimiento sobre superficie slida, a bajas velocidades y viscosidades altas.0 El comportamiento de la capa limite no solamente es

importante para el flujo de fluidos sino tambin para la

transferencia de calor y la transferencia de masa.0 Existiendo nicamente en esta parte el esfuerzo cortante

y el cizallamiento

fuera de esta capa se dice que

prevalece un fluido potencial.

Fluido potencial.El flujo potencial tiene dos importantes

caractersticas:0 (1) no existen circulaciones ni remolinos dentro

de la corriente, de forma que el flujo potencial sedenomina tambin flujo irrotacional.0 (2) No existe friccin y, por tanto, no hay

disipacin de energa mecnica en calor.

lujo laminar en la capa limite.0 El flujo estacionario, unidimensional, de un fluido

en el que las capas contiguas se deslizan unassobre otras, sin corrientes transversales ni torbellinos, es decir, sin mezcla lateral.0 Sin embargo, s pueden existir disipaciones en

forma de calor a consecuencia de las distintas velocidades de las capas fluidas.

Flujo turbulento.La turbulencia ha sido muy estudiada por la importancia que presenta en todas aquellas operaciones donde existan transferencias de energa 0cantidad de distinguirse dos tipos:0 Turbulencia de pared: que se origina por contacto de la corriente

de fluido con lmites slidos, (tubera, canales, partculas slidas, etc.),0 Turbulencia libre: que se origina por contacto entre dos capas de

fluido que se mueven con velocidades diferentes, (flujo de un chorro

dentro de la masa de un fluido estancado, mezclas gas-lquido, etc.).

ransicin de flujo laminar a turbulento.0 Los factores que determinan el punto en el que aparece la

turbulencia en una capa limite laminar esta relacionada conel numero de Reynolds:

Donde:0 X= distancia desde el borde de ataque de la lamina. 0 oo= velocidad global del fluido. 0 = densidad del fluido. 0 = viscosidad del fluido.

Separacin de la capa limite y ormacin de la estela.

Los reactores biolgicos agitados estn influenciadospor la interaccin de los siguientes parmetros.

PARMETROS DEL COMPORTAMIENTO BIOLGICO.

PARMETROS QUE NO SON ESPECFICOS DEL SISTEMA BIOLGICO.

El estrs mecnico. Tambin puede causar dao de la dinmica del fluido o efecto del rompimiento de burbuja. Los efectos del estrs hidrodinmico sobre las clulas pueden ser clasificados en daos letales y sub-letales

Continuacin..

LA CASCADA DE ENERGA POR AGITACIN, LA TEORA DE KOLMOGOROV ASOCIADA AL DAO CELULAR Y LA ENERGA DE DISIPACIN.

Este autor consider que la turbulencia puede estar compuesta de remolinos (eddies), que tendran un nmero adimensional caracterstico del nivel de turbulencia Re, Si este nmero

adimensional es elevado el eddy ser inestable y se romper transfiriendo energa a eddies ms pequeos. Este proceso de cascada de energa de unos eddies a otros continuar hasta que el # Re del eddie ms pequeo sea lo suficientemente bajo para que el remolino sea estable y la energa cintica se disipe en forma de calor.

DINAMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS

ESTADOS DE OPERACIN EN LAS COLUMNAS DE BURBUJEO.

MODELO DE ASECNCIN DE LA BURBUJA.

En procesos biolgicos, la principal ventaja de los reactores airlift sobre las columnas de burbujeo y los tanques agitados se debe a que

se produce un menor dao celular, exhibiendo mayores velocidadesde transferencias de masa y menores costos energticos.

Conclusin.Los modelos de consumo de potencia aportados para fluidos permite la estimacin de la potencia requerida en procesos de agitacin para la mejora en el desempeo de los sistemas de agitacin de biorreactores, estimando tamaos de biorreactores a nivel de laboratorio y a partir de ella puede procederse al

cambio de escala para procesos industriales aplicando elcriterio de intensidad de agitacin (potencia/volumen).

Roque Saenz Pea. Bioprocesos II. Escalado Scale-down. Universidad Nacional de Quilmes. Bernal 2010. Tejero Javier. Fidel Cunill Montserrat Iborra. REACTORES QUIMICOS. Apuntes. Catlisis, cintica y aplicacin. Universidad de Barcelona. Berzosa Jimnez & Crdoba Molina Manuel. DETERMINACION DE MODELOS PARA EVALUAR EL CONSUMO DE POTENCIA EN TANQUES AGITADOS PARA SOLUCIONES PSEUDOPLASTICAS.Ingenieria 20 (1y 2). 51-65. San Jos, Costa Rica. Diseo de una plante piloto. Proyecto Fin de carrera. Anexo 7. Vincent POMERO, Dominique BONNEAU.EL FENOMENO DE CAVITACION.GBMOIM. Quintero Ramrez Rodolfo. Ingeniera bioqumica. Teora y aplicaciones. Alhambra Mexicana. Tercera edicin 1993, Mxico. Guzmn Montoya D, A & Segura Bermudez M,Y.MODELAMIENTO DE LA TRANFERENCIA DE OXIGENO PARA EL CULTIVO DE MICROORGANISMOS EN UN BIOREACTOR DE COLUMNA DE BURBUJEO. Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniera y Arquitectura. Manizales 2003. Ramrez Ruiz J, E. Control y monitoreo de Variables de un Prototipo para el tratamiento biolgico de un efluente con colorante de naranja II, mediante el hongo Trametes Versicolor. Cuernavaca, Morelos, Mxico. Octubre 2010. Roldan Trujillo M & Valdez Cruz N. EL ESTRS HIDRODINAMICO: MUERTE Y DAO EN CULTIVOS AGITADOS. ALAM.Revista Latinoamericana de Microbiologia. Vol. 48 3-4. JulioSeptiembre 2006. PP 269-280.