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Tecnolgico de Monterrey
Campus Estado de Mxico
Laboratorio de
Bioprocesos
Prctica IV
Mezclado y Patrones de Flujo
Mario Alfonso Arenas Garca A01162581
Dr. Csar Garca Daz
2014
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ndice General
1. Resultados 3
1.1 Tiempo de Mezclado Turbina de Rushton.. 3
1.2 Tiempo de Mezclado Propela Marina.. 5
1.3 Patrn de Flujo Turbina Rushton.. 6
1.4 Patrn de Flujo Propela Marina. 7
2. Discusin 8
3. Conclusin.. 9
4. Fuentes de Informacin 9
ndice de Figuras
Figura I - Cambio de coloracin con agitacin a 100 RPM (Rushton)
4
Figura II - Cambio de coloracin con agitacin a 300 RPM
(Rushton)... 4
Figura III - Cambio de coloracin, pasando de pH 10 a pH 7.5
(Propela).. 5
Figura IV - Cambio de coloracin, pasando de pH 7.5 a pH 10
(Propela).. 5
Figura V - Patrn de Flujo Turbina Rushton. 6
Figura VI - Patrn de Flujo Propela Marina.. 6
Figura VII - Patrn de Flujo Propela Marina. 7
Figura VIII - Patrn de Flujo Propela Marina (sistema no
homogneo).. 7
ndice de Grficas
Grfica I - Relacin pH y tiempo con variaciones en RPM... 3
ndice de Tablas
Tabla 1.1 - Comportamiento pH en relacin al tiempo (Turbina
Rushton)... 3
Tabla 1.2 - Tiempo estimado de homogenizacin para cambios de pH
(Propela Marina) 5
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1. Resultados
1.1 Tiempo de Mezclado Turbina de Rushton
Para los cambios de pH empleando la solucin de fenolftalena y
partiendo de un pH de 10 hasta
llegar a aproximadamente 7.5; se observ el siguiente
comportamiento empleando una agitacin
de 100 RPM y de 300 RPM.
Tabla 1.1 Comportamiento de pH en relacin al tiempo, variando
RPM (Turbina Rushton)
Tiempo (s) pH - 100 RPM pH - 300 RPM
0 9.72 9.73 10 9.51 9.51 20 9.23 9.24 30 8.73 8.88 40 8.30 8.39
50 7.90 8.03 60 7.49 7.69 70 7.42 7.37
En la grfica I se representan los valores de la tabla 1.1,
denotando un tiempo de mezclado
semejante pero ligeramente ms rpido a 100 RPM.
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
0 10 20 30 40 50 60 70 80
pH
Tiempo (s)
pH - 100 RPM y 300 RPM
100 RPM
300 RPM
Grfica I. Comportamiento de pH en relacin al
tiempo, variando velocidad de agitacin.
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Por otro lado, en las figuras I y II se muestra el cambio de
color generado a partir del cambio
en el pH:
Figura I. Cambio de coloracin en el biorreactor con agitacin a
100
RPM; pasando de un pH aproximado de 10 hasta llegar a 7.5.
(Intervalo de 10 segundos por foto)
Figura II. Cambio de coloracin en el biorreactor con agitacin a
300
RPM; pasando de un pH aproximado de 10 hasta llegar a 7.5.
(Intervalo de 10 segundos por foto)
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1.2 Tiempo de Mezclado Propela Marina
En ste caso, se emple una agitacin nica de 300 RPM, iniciando
desde un pH de 7.5 hasta
alcanzar 10 y posteriormente regresar al punto original; con la
finalidad de poder observar algn
tipo de variacin. Los resultados obtenidos son dados en la tabla
1.2.
Tabla 1.2 Tiempo estimado para llegar a pH 10 partiendo de pH
7.5 y viceversa (Propela Marina)
Condicin Tiempo (s)
pH 7.5 10 168 pH 10 7.5 187
En base a la tabla 1.2, se denota que hay una diferencia de 19
segundos al cambiar el orden
del cambio de pH; el cual es significante, ya que la variacin
debera de estar a un mnimo. Por
otro lado, en las figuras III y IV se observa cmo cambia la
coloracin del biorreactor debido a
los cambios en el pH:
Figura III. Cambio de coloracin en el biorreactor, pasando de un
pH
aproximado de 10 hasta llegar a 7.5. (Intervalo de 22 segundos
por foto)
Figura IV. Cambio de coloracin en el biorreactor, pasando de un
pH
aproximado de 7.5 hasta llegar a 10. (Intervalo de 10 segundos
por foto,
ultimas dos fotos a intervalo de 22 segundos)
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1.3 Patrn de Flujo Turbina Rushton
El patrn de flujo que debe de observarse en una turbina Rushton
es de tipo radial. Al emplear
colorantes al igual que aumentando la densidad y viscosidad del
medio empleando glicerina; se
observa (con algo de dificultad) los siguientes patrones:
No se llega a observar del todo como el fluido impacta con la
pared, sin embargo, si se
alcanza a ver como el fluido sube hacia la superficie y
posteriormente baja.
1.4 Patrn de Flujo Propela Marina
El patrn para una propela marina es de tipo axial, y para poder
observarlo se emplea los mismos
pasos que los descritos en la turbina Rushton. Las figuras VI y
VII son vistas desde la parte
inferior del biorreactor hacia arriba, ya que en este caso no se
observaba del todo si se vea de
perfil.
Figura V. Patrn de flujo en turbina Rushton con
fluorescencia.
Figura VI. Patrn de flujo en propela marina. Denotar lneas de
flujo (contraste rojo-verde)
el cual aparentemente van hacia la superficie del fluido.
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De perfil, la mejor imagen obtenida cuando el biorreactor estaba
homogenizando la mezcla
70:30 de glicerina y agua. Claramente se observa el patrn de
flujo circular caracterstico de
los impulsores axiales (ver figura VIII).
Figura VII. Patrn de flujo en propela marina. Denotar lnea de
flujo de color verde en parte
superior de la imagen.
Figura VIII. Patrn de flujo en propela marina, se denota la
forma circular generada en el
centro por la falta de homogenizacin entre las sustancias
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2. Discusin
Los impulsores radiales son ms efectivos para la dispersiones de
tipo gas-lquido y lquido-
lquido, ya que tpicamente proveen de mayores niveles de
turbulencia y tasas de cizallamiento;
contrastando con impulsores de tipo axial. (Paul et al, 2004)
Esto puede verse claramente al
momento de comparar los tiempos de mezclado a 300 RPM (pasando
de un pH 10 a 7.5) entre
la turbina de Rushton y la propela marina, ya que hay una
diferencia de aproximadamente 110
segundos.
Por otro lado, la turbina de Rushton present un ligero
incremento de tiempo de mezcla al
pasar de 100 RPM a 300 RPM; la diferencia no es mayor a 10
segundos. Dicho incremento es
errneo ya que lo que debi de haber ocurrido es una disminucin en
el tiempo de mezclado o
en dado caso que se mantuviera; ya que se est aplicando una
mayor tasa de agitacin, por lo
que aumentara la rapidez de la homogenizacin. (CFD Simulation,
s.f.)
Esto similarmente (pero en condiciones distintas) ocurri en la
propela marina al momento
de observar los tiempos de homogeinizacin de pH; pasando
inicialmente de 10 a 7.5 y
posteriormente al revs. Los tiempos no debieron haber variado
significativamente, sin embargo,
hay una diferencia de 19 segundos.
Puede ser que esta discrepancia de tiempos se deba al control
que el sistema efecta para
poder mantener dentro de un rango controlable el pH en el
biorreactor. Como tal, las cantidades
de base y/o cido introducidas varan por lo que si se agrega ms o
menos ocasiona que el
tiempo de mezclado de acuerdo a los valores de pH varen.
Como tal, el mezclado depende de las siguientes caractersticas
(10. Mixing and Agitation,
s.f.):
El impulsor debe de poder circular todo el fluido en el
contenedor en un tiempo razonable
El fluido al salir del impulsor, ste debe de tener los sustratos
en la cantidad adecuada
con la finalidad de poder proveerlos en las zonas de difcil
acceso en el biorreactor
Debe de haber presencia de turbulencia en el sistema, de lo
contrario el flujo ser bajo
Consiste de tres procesos fsicos: distribucin, dispersin y
difusin
Asimismo, es importante analizar las caractersticas geomtricas
del sistema, ya que por
lo general se mantiene una proporcin entre las mediciones de los
componentes,
garantizando un mezclado generalizada para los sistemas
Finalmente, hay una variedad de maneras para poder realizar el
escalamiento de los
biorreactores; de los cuales pueden ser en similitudes (De los
Santos, 2013):
Geomtricas
Cinemticas
Dinmicas
No. de Reynolds (Impulsor)
Transferencia volumtrica de masa
Tiempo de mezclado
Cuando se realiza un escalamiento con un tiempo de mezclado
constante para ambos
sistemas, se establece que (De los Santos, 2013):
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= (4 )
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Es importante destacar que se considera que esta en un rgimen
turbulento y que hay
similitud geomtrica entre ambos sistemas escalados. Al final, se
establece la siguiente relacin
(De los Santos, 2013):
2 = 1 (2
1 )
0.25
La desventaja principal al basarse en dicha relacin es que da
(por lo general) valores muy
elevados de velocidad de agitacin. Otras formas de poder
establecerlo son (De los Santos,
2013):
Con ND constante:
= 0.28
Con P/V constante:
= 0.28
3. Conclusin
El tipo de mezclado permite determinar con que eficiencia ocurre
la dispersin de los sustratos y
por ende la eficiencia a la cual ocurre la transferencia de masa
para que los microorganismos
puedan desarrollarse apropiadamente al igual que producir los
metabolitos requeridos.
De manera generalizada se emplea la turbina de Rushton debido a
que la transferencia que
genera (en trminos globales) es superior y se adecua a una
cantidad significante de sistemas,
no obstante, depende mucho del sistema y de sus
caractersticas.
Cabe indicar que no siempre se puede usar velocidades de
agitacin elevadas, notablemente
debido a la tasa de cizallamiento que genera y esto afecta
adversamente el proceso.
4. Fuentes de Informacin
10. Mixing and Agitation. (s.f.) Obtenido el 18 de febrero de
2014 de: http://www.pacontrol.com/process-
information-book/Mixing%20and%20Agitation%2093851_10.pdf
CFD Simulation Simulation of Solid Suspension in
Gas-Liquid-Solid.(s.f.) Obtenido el 19 de febrero de
2014 de:
http://shodhganga.inflibnet.ac.in:8080/jspui/bitstream/10603/1482/13/13_chapter%206.pdf
Paul, E. L.; Atiemo-Obeng, V. A. y Kresta, S. M. (2004). 6-2.2.2
Radial Flow Impellers. Handbook of
Industrial Mixing. (p. 356) EE.UU: Wiley. Obtenido el 20 de
febrero de 2014 de:
http://books.google.com.mx/books?id=X1l23G2j7v8C&pg=PA356&lpg=PA356&dq=radial+impellers+and+
fluid+mixing&source=bl&ots=cUvSjzOZvO&sig=SANmx62BfamKrH3rIT9k5ARHGt0&hl=en&sa=X&ei=JT
EGU-
WHKKqBygGm5oDADw&redir_esc=y#v=onepage&q=radial%20impellers%20and%20fluid%20mixing&f=f
alse
De los Santos M.; A. I. (2013). Escalamiento de Biorreactores.
Mxico: ITESM CEM.
[Presentacin de Power Point]
