agitacion y aeracion

8/18/2019 agitacion y aeracion

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FERMENTACIONES INDUSTRIALES

“Agitación-aireación en biorreactores”

Contenido


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Mérida, Yucatán México 21 de Mayo del2015

1. Cálculo de la potencia de agitación..............................................................3

1.1 Sisteas sin gas........................................................................................ 3

1.2 Sisteas con aireación.............................................................................. 3

1.3 Correlaciones ep!ricas............................................................................."

2. #scalaiento................................................................................................5

2.1 Criterios de escalaiento..........................................................................$

2.2 %eterinación de paráetros cinéticos....................................................$

Creciiento celular....................................................................................... $

3. Capacidad de trans&erencia de '2 del (iorreactor )* +a................................-

3.1 roceso de trans&erencia de oxigeno )'&erta........................................-

3.2 /elocidad de trans&erencia del ox!geno.....................................................

3.3 alance de ox!geno....................................................................................

". Métodos de deterinación de *la.................................................................

".1 /elocidad de u4o de aire...........................................................................

".2 Métodos para deterinar *+a..................................................................10

".2.1 Método de oxidación de sulto..........................................................10

".2.2 Método de 6assing out estático.........................................................10

".2.3 Método de 6assing out dináico.......................................................11

1. Cálculo de la potencia de agitación1.1 Sisteas sin gasSe deine e! N"#ero de $otencia% N&' Dic(o )a!or deter#ina !a &otencia absorbida &or e!

!*ido'

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Np= Fuerzaexterna aplicada

Fuerzainercial del fuido=

( P0∗gc)( N ∗ Di)

∗( 1

Di3)

ρ∗ N 2∗ Di

Donde+$o, $otencia eterna entregada &or e! agitador ./g # 0s1

2 3$ , 45 /g #0sec

gc, Factor de con)ersión+ 6'7 8g #0/g sec9

N,:e!ocidad de rotación de! i#&e!er .r&s1

Di , Di;#etro de! i#&e!er .#1

1

N&, ?NRe #odiicado nDi9 r0#% geo#etr=a de! siste#a@

Np= P0∗gc

ρ∗ N 3

∗ Di5

1.2 Sisteas con aireaciónC*ando se inecta gas en e! !=B*ido se red*ce !a &otencia de agitación debido a! eecto de

!a densidad de! aire% !as b*rb*as aectan e! co#&orta#iento (idrodin;#ico de! !*ido

a!rededor de! rodete dis#in*e !a resistencia a! !*o de! !*ido' La red*cción en e!

cons*#o de &otencia no es *nior#e de&ende de! ti&o de agitador !a )e!ocidad de

aireación% !o c*a! se trad*ce en e! grado de dis&ersión de !as b*rb*as a!rededor de!

agitador de! tanB*e'

gassin¿¿

POT ¿ Pg P0

= POT (gas)

¿

Pg

P0=f ( N a)

Na, n"#ero de aireación

Fg, !*o de aireación ?#>0seg@

N a= velocidadaparente del aire a través deuna seccióndel tanque

velocidad de agitación

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N a=

F g

Di2

N i∗ Di=

F g

N i∗ Di3

1.3 Correlaciones ep!ricas

Pg

P0=0.10( F g N i V )

−0.25

( N i2 Di

4

g W i V

2

3 )−0.20

$ara i#&*!sor !at-b!ade-t*rbine ?T*rbina de &a!eta &!ana@

Donde+

Fg, ca*da! )o!*#trico de! gas ?#>0s@

g, ace!eración de gra)edad ?#0s9@

i,anc(o de !a &a!eta de! rodete ?#@

:,)o!*#en de! !=B*ido ?Mosto@

Di, di;#etro de! i#&*!sor ?#@

Ni, )e!ocidad de! i#&*!sor ?c&s@

log( Pg P0 )=−129( Di

Dt )4.38

(

Di2 N i

μ

ρ

)

0.115

( Di2 N i

g )1.96 ( Di

Dt )

( F g¿ Di3 )

log( Pg P0 )=−129( Di

Dt )4.38

( ei )0.115

( Fr )1.96( Di

Dt )

Na

$ara i#&*!sor ti&o Si !at G!ade t*rbines ?T*rbina de seis &a!etas &!anas@

Donde+

:, )o!*#en de! c*!ti)o ?#>@Fg, ca*da! )o!*#trico de! gas ?#>0s@

Dt, di;#etro de! tanB*e ?#@

g, ace!eración de gra)edad ?#0s9@

Di, di;#etro de! i#&*!sor ?#@

Ni, )e!ocidad de! i#&*!sor ?c&s@

"


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2.#scalaientoE! esca!a#iento in)o!*cra e! est*dio de !os &rob!e#as asociados a transerir !a inor#ación

obtenida en e! !aboratorio ?#!@ a esca!a de &!anta &i!oto ?!t@ t desde esca!a de &!anta &i!oto

?!t@ a esca!a ind*stria! ?#>@% en !as dierentes eta&as se e)a!"an a!g*nos as&ectos de!

&roceso'

Esca!a de !aboratorio $!anta &i!oto Esca!a ind*stria!

Se!ección dece&as

Est*dios b;sicosde cineticas de

creci#iento Ni)e!es de

e&resión Se!ección de!

#edio

O&ti#iHan !ascondiciones de

o&eración For#a de

o&eración F!*os% &resiones

te#&erat*ras :e!ocidades de

agitación

Se !!e)a a cabo !a&rod*cción de! &rod*cto

de inters a ni)e!es

rentab!es

enera!#ente e! esca!a#iento se (ace en base de &rinci&ios de se#eanHa entre dos

siste#as ?esca!as@+

a@ Si#i!it*des geo#tricas

• Las raHones entre !as !ongit*des deben ser ig*a!es en a#bos siste#as'

b@ Si#i!it*des cine#;ticas

• Las raHones entre !as )e!ocidades deben ser ig*a!es en a#bos siste#as'

• Conte#&!a !as )e!ocidades es&ec=icas de creci#iento

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c@ Si#i!it*des din;#icas

• Dos enó#enos son din;#ica#ente se#eantes si con !a se#eanHa

cine#;tica tiene !*gar !a &ro&orciona!idad orientación ig*a! de !os

)ectores *erHas en todos !os &*ntos adec*ados de dic(os enó#enos

(ab!ando en rigor% !a se#eanHa din;#ica se consig*e so!o si tiene !*gar !ase#eanHa co#&!eta de enó#enos c*ando todas !as #agnit*des =sicas

si#i!ares son ig*a!es en todos !os &*ntos corres&ondientes'

2.1 Criterios de escalaiento2@ Coeiciente de transerencia de o=geno

!

! (¿¿ " a)escala 2

(¿¿ " a)escala1=¿¿

9@ $otencia &or *nidad de )o!*#en

( Pg

V )

escala1

=( Pg

V )

escala2

>@ :e!ocidad tangencia! de agitación ?JNDi@

(#NDi)escala1=(#NDi)escala2

K@ Mantención de! NReno!d ?NDi9 0@

N Di2

N Di2

(¿¿ ρ / μ)escala 2(¿¿ ρ/ μ)escala1=¿

¿

@ :e!ocidad de bo#beo de aire

( F

V )

escala1

=( F

V )

escala 2

$


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2.2 %eterinación de paráetros cinéticosLos &ar;#etros cinticos &ro&orcionan !a inor#ación b;sica necesaria &ara desarro!!ar e!

ta#ao de !os reactores bio!ógicos aerobios'

Creciiento celular

La concentración de bio#asa incre#enta con e! &aso de! tie#&o% !a ase !ag es *n &er=odode ada&tación en e! c*a! !as c!*!as se ac!i#atan a! n*e)o #edio des&*s de esta ase%

e! creci#iento e&onencia! &ersiste (asta B*e a!g*no de !os n*trientes esencia!es

dis#in*e en e! #edio o (asta B*e a!g"n &rod*cto es ac*#*!ado e in(ibe e! creci#iento

de !os #icroorganis#os' Las c!*!as entran en *na ase en !a c*a! a no (a creci#iento

?ase estacionaria@% B*e es seg*ida de *na ase de dec!inación o #*erte'

La )e!ocidad de creci#iento es *n reactor% ?ca#bio de concentración de bio#asa con

res&ecto a! tie#&o d0dt@% de&ende de !a concentración de bio#asa ?@ )iab!e &resente a

c*a!B*ier tie#&o'

En e! creci#iento e&onencia!% !a )e!ocidad de creci#iento &*ede ser e&resada+

dx

dt = μx

, constante de )e!ocidad es&eciica de creci#iento

En e! estado estacionario% !a )e!ocidad de creci#iento de&ende de !a concentración de

s*stratos ?s*strato !i#itante@% !a de&endencia es genera!#ente descrita &or !a ec*ación de

Monod+

μ=

μ$ax∗%

& s+%

μ$ax=velocidad $'xi$a de creci$iento

& %=constante de saturación

/S re&resenta e! )a!or de S a! c*a! !a )e!ocidad es&ec=ica de creci#iento es !a #itad de!

)a!or #;i#o' La )e!ocidad es&ec=ica de creci#iento a*#enta con e! a*#ento de !a

concentración de s*strato de *na or#a (i&erbó!ica'

3. Capacidad de trans&erencia de '2 del (iorreactor)* +a

3.1 roceso de trans&erencia de oxigeno )'&erta Aireación agitación son actores &ro&ios de! &roceso as= co#o !a adec*ada transerencia

de O9 energ=a% !os c*a!es &er#iten *na b*ena #eHc!a% )e!ocidad de agitación !*os de

aire'

-


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E! o=geno es *n gas &oco so!*b!e en ag*a ?6#g0L@' Una )eH dis*e!to e! O9% ste tiene B*e

transerirse desde !a b*rb*a de gas a cada c!*!a indi)id*a!' $ara e!!o deben ser

s*&eradas )arias resistencias &arcia!#ente inde&endientes+

2@ Di*sión desde e! n"c!eo de! gas a !a interase gas-!=B*ido'9@ Mo)i#iento a tra)s de !a interase gas-!=B*ido'

>@ Di*sión de! so!*to a tra)s de !a región estancada adacente a !a b*rb*a'K@ Trans&orte de! so!*to a tra)s de! seno de! !*ido !=B*ido'@ Mo)i#iento a tra)s de !a seg*nda región estancada asociada a !a c!*!a'5@ Trans&orte di*si)o (acia e! interior de !a c!*!a'4@ Si !as c!*!as est;n en !oc*!o% agregado o &art=c*!a só!ida% di*sión a tra)s de!

só!ido (asta cada c!*!a indi)id*a!'7@ Trans&orte a tra)s de! cito&!as#a (asta e! !*gar de !a reacción'

E! o=geno es *n s*strato B*e !i#ita e! creci#iento% &ero arriba de cierta concentración% e!creci#iento de&ender; de s* dis&onibi!idad en e! #edio'

La !e de 3enr describe !a so!*bi!idad de c*a!B*ier gas en so!*ciones de n*trientes en

re!ación a !a &resión &arcia! de estos en !a ase gaseosa+

c= P0

(

C, concentración de P9 de !a so!*ción de n*trientes a cierta sat*ración

$P, &resión &arcia! de! gas en !a ase gaseosa

3, constante de 3enr ?es&ec=ica &ara cada gas@

E! diseo de *n siste#a de agitación-aireación debe satisacer+

De$anda de oxigeno=Oferta de ox)geno

Un c*!ti)o aeróbico de c!*!as reB*iere de o=geno a deter#inada )e!ocidad &ara B*e se

aseg*re !a satisacción de s*s reB*eri#ientos #etabó!icos' La de#anda de o=geno ?


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N O2 @ es !a cantidad de oigeno reB*erida &or *nidad de tie#&o &or *nidad de

)o!*#en de c*!ti)o'

N O2 ,

μ∗ * + O 2

*

3.2 /elocidad de trans&erencia del ox!genoC*ando e! contro! de !a transerencia de O9 se enc*entra en e! i!# !=B*ido B*e rodea a !a

b*rb*a o a !os #icroorganis#os% !a )e!ocidad de transerencia de o=geno% N A se &*ede

e&resar co#o+

N a=! " a (, ¿−, )= ( ! " a ( P− P

¿ )

Se s*&one B*e (a eB*i!ibrio entre e! o=geno de! gas e! dis*e!to en e! !=B*ido'

Na, !*o de o=geno

/L, coeiciente g!oba! de transerencia de #asa

a, ;rea s*&ericia! de !as b*rb*as

8La, coeiciente )o!*#trico de transerencia de o=geno ?(-2@

CQ, concentración eB*i)a!ente de! !=B*ido en eB*i!ibrio con !a &resión &arcia! en e! seno de!

gas

C, concentración de o=geno en e! seno !=B*ido

$Q, &resión de O9 en e! eB*i!ibrio

$, &resión de O9 en e! seno de !a ase gaseosa

3, constante de 3enr

3.3 alance de ox!geno

Se &*ede &!antear *na ec*ación de ba!ance de o=geno en e! er#entador+

O9 B*e entra O9 B*e sa!e O9cons*#ido &or *nidad de )o!*#en , Ac*#*!ación'

O9 B*e entra O9 B*e sa!e , O9 B*e se transiere , N A

$ara B*e e! c*!ti)o &*eda crecer sin !i#itación de O=geno% e! s*#inistro debe ser ig*a! a

!a de#anda'


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". Métodos de deterinación de *la

".1 /elocidad de u4o de aire$ara deter#inar !a )e!ocidad de !*o de aire necesario% se &*de to#ar co#o dato !a

de#anda de o=geno% considerando !a eiciencia de absorción% E ?>->P@'

La tasa es&ec=ica de aireación se entrega en )o!"#enes de aire &or )o!*#en de !=B*ido

&or #in*to ?))#@'

vv$= F aire

V liquido=

N -∗22∗T

1000∗0.21∗ .∗# ∗273∗60

N A, en .#i!i#o!esO90(!1

T, en ./1, $resión .at#1

enera!#ente+

A ni)e! !aboratorio aireación,2'))#

A ni)e! ind*stria! aireación,P'9-P'4))#

Otra #anera de e&resar !a aireación+ co#o )e!ocidad s*&ericia! de! aire% : s'

F g=vs∗ - t

v s= F g

-t

v s= F g

# Dt 2/ 4

At, ;rea de !a sección trans)ersa! de! er#entador

".2 Métodos para deterinar *+a

2' Mtodo de oidación de s*!ito ?#todo de Coo&er@'9' assing o*t est;tico'>' assing o*t din;#ico'

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".2.1 Método de oxidación de sultoMide !a )e!ocidad de con)ersión de *na so!*ción P' M de s*!ito de sodio a s*!ato en

&resencia de cobre co#o cata!iHador'

La )e!ocidad de oidación de! s*!ito es &ro&orciona! a !a transerencia de o=geno'

Des)entaas+

• Es *n #todo !ento

• No considera !a reo!og=a de! #edio

".2.2 Método de 6assing out estáticoUti!iHando !a tcnica de gassing o*t se #ide con *na sonda &o!arogr;ica e! incre#ento en

O9 dis*e!to de *n #edio de c*!ti)o de! c*a! se (a e!i#inado e! O 9'

Se e!i#ina todo e! O9 de! #edio &or b*rb*eo de N9% !*ego se ad#inistra aire se gr;ica+

La OTR a tie#&o es ig*a! a !a &endiente de !a tangente a !a c*r)a'

:entaas+

• Es r;&ido a&roi#ada#ente 2 #in'

• $*ede *ti!iHar #edio de c*!ti)o'

Des)entaas+

• En esca!a ind*stria! se reB*ieren grandes cantidades de N9 &ara e!i#inar todo e!

o=geno'

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• Mide !a transerencia de O9 en *n "nico &*nto de! er#entador'

• E! tie#&o de res&*esta de! e!ectródo introd*ce errores'

".2.3 Método de 6assing out dináico

Mide !os ni)e!es de O9 en c*!ti)os B*e estan creciendo en e! er#entador'

Se s*s&ende !a aireación e! cons*#o de !os #icroorganis#os red*ce e! ni)e! de O9'

E! incre#ento GC de O9 obser)ado en e! o=geno dis*e!to es !a dierencia entre e! OTR

e! cons*#o de !os #icroorganis#os ?OUR@'

La aireación se s*s&ende en e! &*nto A se reinicia en G'

E&resado co#o ec*ación+

QO9+ )e!ocidad de res&iración ?##o!es de O9 g-2 bio#asa (-2@

X+ Gio#asa

Se s*s&ende !a aireación% se #ide O9 dis*e!to+

Se reinicia !a aireación se #ide O9 dis*e!to%

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:entaas+

• $*ede deter#inar /La d*rante *na er#entación rea!

• Es r;&ido

Des)entaas+

• $*ede trabaar en *n rango !i#itado de concentraciones de O9% e! ni)e! no &*ede

caer &or debao de !a Ccrit'• Di=ci! de a&!icar en er#entaciones con a!ta de#anda de O9'

• Mide OTR en *n so!o &*nto de! er#entador% en donde se a!oa !a sonda'

Reerencias+

• Procesos Biotecnológicos II, C!ase7+ Transerencia de O=geno% 3*go MenHe!!a%

Mao de 9P2>• Tesis+ dis#in*ción de !a de#anda B*=#ica de oigeno ?DO@ en )inaHas #ediante

trata#iento bio!ógico% Sando)a! M'% agosto 9PP5% 3*a*a&an de León% Oaaca'

• Diseo de biorreactores% Sa!as A'% #ao 9P2 ?scrib@

• Diseo de biorreactores transerencia de o=geno% Tores D'% *ni)ersidad de

Cartagena% 9P29 ?scrib@

• Giotecno!og=a+ Diseo de biorreactores% *ni)ersidad a*tóno#a “To#;s Fr=as”

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