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

Efecto de los baffles

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