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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