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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
𝐷𝑎𝐷𝑡
= 0,5 𝐻
𝐷𝑡= 1
𝐶
𝐷𝑡=
1
3
𝑊
𝐷𝑎=
1
5 ;
𝐷𝑑𝐷𝑎
= 2
3
𝐿
𝐷𝑎=
1
4
𝐽
𝐷𝑡=
1
12
Bafles o deflectores
Bordes redondeados
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
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
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
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).