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1

1

PROCESOS BIOTECNOLOGICOS II

CURSO 2015 Responsable Prof. Titular G. Pic

2

AREA PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGA

Responsable del Area Prof. Titular G. Pic

Asignaturas del Area

PROCESOS BIOTECNOLOGICOS I (Prof. Pic)

(4to ao 1er cuatrimestre)

PROCESOS BIOTECNOLOGICOS II (Prof. Pic)

Profs. Adjunto H. Menzella y D. Romanini

(4to ao 2do cuatrimestre)

PROYECTOS BIOTECNOLOGICOS (Prof. D. Romanini)

(5to ao 1er cuatrimestre)

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3

ACREDITACION DE LA ASIGNATURA: lograr la condicin de regular

- asistencia obligatoria a las clases tericas,

- asistir y aprobar las tareas de aula y Laboratorios segn reglamento de T.P.

-- aprobar el parcial /o su recuperatorio.

Alumnos que deseen promover totalmente la asignatura:

Rendirn la parte de la Teora, el da que se tome el parcial recuperatorio.

No podrn promover aquellos alumnos que deban recuperar el parcial.

ESTOS ALUMNOS DEBERN REDIR EXAMEN FINAL EN LOS TURNOS

CORRESPONDIENTES

4

MATERIAL PARA ESTA ASIGNATURA

1- Power Point de cada Clase Terica (en web)

2- Gua de estudio y Problemas ( en web)

3- Apunte sobre temas que da cada profesor (consultar a

cada Profe.)

Como hay feriados fijos y espontneos, para las clases

perdidas consultar con el docente a cargo de cada comisin

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PROCESOS BIOTECNOLOGICOS

MICROBIOLOGIA

INDUSTRIAL

(fermentacin)

PROCESOS DE SEPARACION

(downstream processing)

Molcula de inters

Los Procesos Biotecnolgicos hoy

6

Objetivos de la Asignatura

- Introducir al alumno en el escalado del las OU de mezclado

- Introducir al alumno en la teora de los reactores.

- Introducir al alumno en la teora de los bioreactores, sus

ecuaciones, clasificacin. Aprender a manejar un bioreactor de

escala de laboratorio.

- Introducir al alumno en los Procesos Biotecnolgicos que

emplean microorganismos y sus condiciones de manejo y

desarrollo.

- Presentar y discutir el desarrollo de algunos procesos

biotecnolgicos actuales de importancia.

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7

Escalado en el Mezclado

Reactores Qumicos

Bioreactores y

Fermentadores

Micro organismos

Procesos Biotecnolgicos de importancia actual

V, CA

Fermentacin Slida en

estado slido

PROCESOS BIOTECNOLOGICOS II

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La Operacin Unitaria de Mezclado

Curso 2015

Tericos Profesor G. Pic

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9

?

Escalado del Mezclado

Mezclado en el laboratorio

10

El mezclado

OBJETIVO: obtener una fase homognea (formacin de una

solucin) o lograr la dispersin de una fase en otra.

PARA QUE SE EMPLEA EL MEZCLADO EN LOS BIOPROCESOS?

1- Obtener una solucin de dos compuestos solubles.

2- Dispersar un gas en una fase lquida

3- Mantener partculas en suspensin

4- Dispersar dos fases inmiscibles entre si (para hacer un

reparto)

5- Facilitar la trasmisin de calor entre dos fases separadas

por una pared.

6- Obtencin de una emulsin

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6

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ENERGA

El trabajo mecnico se emplea

para mover la fase lquida

(agitacin)

COMO SE HACE UN MEZCLADO ?

POR AGITACION ENTREGANDO ENERGIA EN FORMA DE TRABAJO

MECANICO

Recordando conceptos de la Fisica de los Fluidos

W : trabajo

Potencia (P)

MOTOR

12

La velocdad de disolucin del azucar depender:

De la velocidad con que se agite (cantidad de trabajo mecnico entregado)

De la viscosidad y densidad de la fase liquida

Del volumen total del sistema

Agregando miel al te

LA EXPERIENCIA DIARIA NOS MUESTRA.. !!!!!!!!!

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13

Movimiento de fluidos Dinmica de los fluidos

Nmeros adimencionales (definidos por la Fsica de los fluidos)

Nmero de Reynolds (Re) relaciona las propiedades fsicas de un fluido

vDRe

D dimetro del conducto [L]

V velocidad promedio del liquido [L/ t]

Densidad del liquido [kg/ L

Viscosidad del liquido [m/ L t ]

Todas la molculas se mueven con igual

velocidad

Hay cambios bruscos en la velocidad de las

molculas

Re < 2000 flujo laminar Re > 4000 flujos turbulentos Re >>2 10 6

Agitacin de un liquido en un tanque

En la agitacin existen tres tipos de flujos: radial, axial y tangencial.

radial axial tangencial

El flujo radial y el flujo axial producen mezclado; mientras que el flujo tangencial

no, todo el conjunto gira sin mezclarse produciendo un efecto de vrtice, es un flujo

no deseable que se trata de evitar.

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15

Flujo circular Produce vrtice

No se logra agitacin cuando:

EL MOVIMIENTO ES LAMINAR !!!!!

Mezclado por

corriente de

circulacin.

Tiempo de

mezclado largo

Mezclado por corriente de

circulacin

Proceso lento

MACROMEZCLADO

Flujo Laminar

Flujo Turbulento

Ruptura de remolinos

MICRO MEZCLADO

REMOLINOS DE

TAMAO

MINIMO.

Remolinos de

Kolmogorov

16

Poca agitacin remolino grande

Con agitacin

Hay difusin

Remolino chico

4/13

u

Escala de mezcla o escala de Kolmogonov o

escala de turbulencia

tamao de los remolinos mas pequeos

= / Viscosidad cinemtica del medio

Velocidad local de disipacin de energa

turbulenta/unidad de volumen

Cmo se favorece un mezclado turbulento ?

Empleando rodetes !!!!!!!

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9

17

18

Rodete Rushton Su dimetro debe ser 1/3 del dimetro del tanque

LOS RODETES

L

W

DR

DT

DRL

W

DR

25,02,0 RR D

L

D

W

usualesmedidas

RushtonTurbina

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La turbina o rodete Rushton es el modelo mas difundido, genera un flujo radial

L

W

DR

20

Deflectores

Tanque agitado con rodete,se

forma un regimen no turbulento: no

hay mezcla

Tanque agitado con rodete y con deflectores

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21

AGITACION DE UN FLUIDO CON Y SIN DEFLETORES

22

Numero de Potencia (Np): relaciona la potencia aplicada (P) a un rotor con variables fsicas

del fluido.

Np numero de potencia, es una constante para cada rodete

P potencia aplicada al rotor (trabajo por unidad de tiempo)

Densidad del liquido, Na velocidad de rotacin del rotor, D dimetro del rotor

53

RDNaNpP

Cmo se caracteriza un rodete ?

Con los nmeros adimencionales: para flujos turbulentos

Nmero de Potencia = esfuerzo de frotamiento / esfuerzo de inercia

Nmero de Reynolds para el rodete Rushton

2)Re( R

DNar

Na velocidad del rodete, vueltas /unidad de tiempo

DR dimetro del rodete, y viscosidad y densidad de la solucin

Nmero de Reynolds = esfuerzo de inercia / esfuerzo cortante

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12

23

Qu dimensin debe tener el rodete ?????

TR DD3

1

DR dimetro del rodete DT dimetro del tanque

24

3

3

2

2

2

4

27

3.3

3

.2

3

3

1

R

R

RR

RLT

TR

TTTR

DV

DV

DDV

DHH

HD

V

HRVDD

RushtonTurbina

Relacin entre el volumen del liquido a agitar y el

dimetro del rodete

ESCALADO DE LA AGITACION

Como se relaciona el tamao del rodete con el volumen (V) que se quiere agitar ?

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25

La ecuacin

Indica que el volumen a agitar debe ser proporcional a Dr 3.

Y condiciona el dimetro del tanque. Aparece la primera relacin de escalado

en el mezclado

3

RDV

V igual es los dos recipientes

cual seleccionamos ?

26

El principio de similaridad

hace referencia a la relacin que existe entre el tamao de los sistemas fsicos, siendo un principio bsico en el escalamiento de los procesos qumicos.

Qu similaridades hay?

Fundamento terico del escalado

Geomtrica

Cintica

Dinmica

Trmica

Qumica

?

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14

27

1 L

1000 L

D x 1000

D x

D x 10

D x

Criterio de escalado SIMILITUD GEOMETRICA vs PRACTICIDAD

NO VIABLE

NO VIABLE

VIABLE No se mantiene la

similitud, Sistema Viable

!

28

Como se define el volumen de un tanque agitado?:

DB

DB dimetro deflector

HT altura tanque

HL altura liquido

DR dimetro rodete

DT dimetro tanque

211,008,08,07,0 L

T

T

B

T

L

D

H

D

D

H

H

Valores usualmente empleados

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15

29

Ejemplo: un mezclador o fermentador de 2000 L

Como se define el volumen de un mezclador ?:

233,01,0

2000

T

T

T

R

T

B

D

H

D

D

D

D

LVValores recomendados de las

variables geomtricas

mD

mmmV

D

DD

mLV

DHonese

HD

V

T

totalT

TT

total

TT

TT

total

1,1

3,142.2.2

.22

22000

2sup

.2

3 33

3

3

3

3

2

3

2

30

1,0

36,01,1.33,033,0

2,2)1,1(.21,1

B

TR

TT

D

mmDD

mmHmD

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31

Ya seleccione el rodete y

cuanto tiempo debo esperar para que

se complete el mezclado??????

1 minuto ???

1 hora ??

1 semana ???

1000 aos ????

Como se calcula??????

L

W

DR

Detector

32

El tiempo de mezcla ( Tm ): tiempo necesario para lograr que una variable fsica del sistema sea homognea en toda su masa

De qu depende ???: volumen del sistema,

viscosidad y densidad de la solucin,

tamao del rodete de agitacin

la velocidad de agitacin

L

W

DR

Detector Trazador:

cido o base, colorante, otro soluto,

calor, etc

Variable a medir:

temperatura, conductancia inica, pH,

etc.

Cmo se determina ?

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33

El tiempo de mezcla ( Tm ) : tiempo necesario para lograr que una variable fsica del sistema sea homogenea en toda su masa

depende de: volumen del sistema,

viscosidad y densidad de la solucin,

tamao del rodete de agitacin

la velocidad de agitacin

L

W

DR

Detector Trazador:

cido o base, colorante, otro soluto,

calor, etc

Variable a medir:

temperatura, conductancia inica, pH,

etc.

Cmo se determina ?

34

El resultado obtenido de la experiencia ser

tiempo

0 2 4 6 8 10 12 14 16

con

cen

traci

n d

e m

arc

ad

or

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Tm

Tiempo de mezcla: tiempo

necesario para que se adquiera

la homogeneidad de las

variables fsicas

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35

Para un rodete cualquiera, su Potencia (P)

P = f (Na, D, geometra del rodete, densidad y viscosidad del fluido, etc.)

Np = f (Re) se demuestra experimentalmente

(depende del rodete y el tanque de agitacin)

El numero de vueltas que el rodete debe dar para alcanzar el Tm ser:

Na. Tm

Na: nmero de vueltas /minuto

Se demuestra que en un tanque agitado, con deflectores, por una turbina

Rusthon ser:

3

5,1.

RD

VTmNa

Si DR aumenta

El numero de vueltas disminuye,

Si V (volumen) aumenta el nmero de vueltas

aumenta

53

RDNaNpP

36

F uerza mec nic a

F uerza del fluido (vis c os idad) opues ta a la fuerza mec nic a

Fuerza mecnica >>> Fuerza viscosa

Conclusin El trabajo mecanico (W) para hacer girar un rodete depende de :

(Na, tipo y geometra del rodete, densidad y viscosidad del fluido, placas

deflectoras, etc.)

53

RDNaNpP

2)Re( R

DNar

Todas estas variables fsicas son

medibles, bajo las condiciones de

trabajo del sistema

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37

Relacin entre los numeros de potencia y Reynolds, tanque agitado con defletores

cteD

VTmNa

R

3

5,1.

Si aumenta Na => aumenta P (aumenta el costo) 53

RDNaNpP

Zona de mezclado

2)Re( R

DNar

38

cteD

VTmNa

R

3

5,1.

2)Re( R

DNar

Frmulas de clculo para tener en cuenta

Permite calcular el tiempo de mezclado y/o el numero

de vueltas por minuto del rotor, para un flujo turbulento

Permite calcular el numero de vueltas por minuto del

rotor, para un flujo turbulento conociendo la viscosidad y

densidad del liquido.

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20

39

1- Sistema de agitacin

2- Sistema de suministro de oxigeno (#)

3- Sistema de control de espuma

4- Sistema de control de temperatura y pH

5- Puertos de entrada y salida de muestra

6- Sistema de esterilizacin (#)

Cmo esta formado un tanque agitado ?

Vidrio Pyrex o Acero

inoxidable

40

1. Sistema de control de pH

Acido

Base

Electrodo

Bombas

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21

41

2. Sistema de control de temperatura

Circulacin de agua

proveniente de un

termostato

En fermentadores de volmenes menores 1 a 5 L el calentamiento es

elctrico, controlado por PC

42

Qu CONSECUENCIAS PRODUCE ?

Disminucin del volumen del lquido en el interior

del biorreactor si la espuma sale por la salida

del gas agotado.

Contaminacin microbiolgica del bioproceso si la

espuma alcanza a salir.

Disminucin de la actividad biolgica del bioproducto

si posee propiedades tensoactivas

Porqu se forma espuma?:

Empleo de detergentes en el buffer

Adicin de otras sustancias tensoactivas: protenas, sustancia antipticas

3. Sistema de control de espuma:

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Burbuja

aire

Las protenas se disponen en la interfase aire-liq.

Deshidratacin Desnaturalizacin

SOLUCION

N D

Como se disminuye la formacin de espuma ?

1. Control de la velocidad del rodete

2. Control en la Velocidad de burbujeo de oxigeno u otro gas

3. Empleo de anti espumantes

44

Escala HLB

antiespumantes

Dimetilpolixiloxano

10 mg/kg

Dixido de silicio amorfo

10 mg/kg

Polidimetilsiloxano

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45

Un antiespumante ideal debe tener las siguientes propiedades:

Debe dispersarse y tener una accin rpida sobre la espuma.

Debe ser activo a bajas concentraciones No debe ser metabolizado por el microorganismo. No debe ser txico para el microorganismo, humanos ni otros animales.

No debe alterar la extraccin y purificacin del producto. Costo. No debe tener efecto en la transferencia de oxgeno. Debe ser estable ante procesos como la esterilizacin.

46

clula

burbuja

clula

burbujaaire

liquido

Estallido de la burbuja

Ruptura celular

AGITACION DE UN LIQUIDO CON CELULAS EN SUSPENSIN

DAO POR BURBUJAS

Bioreactores agitados: ruptura por burbujas, formacin de espumas

Aumento velocidad de agitacin. Burbujas grandes mayor dao

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47

METODOLOGIA PARA DISMINUIR EL DAO POR BURBUJA

AUMENTAR LA VISCOSIDAD DEL MEDIO.

- Albmina

- Pluronic P 68: Polioxido de etileno y propileno

Como funcionan ?

Estallido de la burbuja

Ruptura celular

CLULA CLULA

+ Pluronic 68

Las Clulas tienden a escapar

48

Ya resolvimos:

1- Tamao del rodete

2- Tiempo de mezclado

tiempo

0 2 4 6 8 10 12 14 16

con

cen

traci

n d

e m

arc

ad

or

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Tm

Qu falta ??

3- Camino de cmo hacer el escalado

Tericos 2015 PB II Prof. Pic LOS CAMINOS PARA ESCALADO

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25

49

CAMINOS PARA ESCALAR LA OPERACIN UNITARIA

DE MEZCLADO

El tiempo de mezcla ( Tm ) : depende

de:

volumen del sistema,

viscosidad y densidad de la solucin,

tamao del rodete de agitacin

la velocidad de agitacin

Muchas variables:

Se juntan todas en los nmeros adimencionales :

Np y Re

53

RDNaNpP 2

)Re( RDNa

r

Pasos para el escalamiento de tanques agitados

Variables geomtricas utilizadas para el escalamiento

Dimetro del tanque, altura til del tanque, dimetro del rodete

4

1 L

1000 L

D x 1000

D x

D x 10

D x

Criterio de escaladoSIMILITUD GEOMETRICA vs PRACTICIDAD NO VIABLE

NO VIABLE

VIABLENo se mantiene la similitud, Sistema Viable

!

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Criterios utilizados para determinar las variables

operacionales en el escalamiento

Tanque agitado

Tiempo de mezclado, relacin de potencia

(P/V),

Nmero de vueltas del rodete.

Nmero de Reynols .

Bio fermentador

Caudal de aireacin, etc.

52

A relacin de potencia (P/V) constante: no se puede emplear

para lquidos altamente viscosos. 30% de los procesos

emplean este camino

COMO HACER EL ESCALADO ?

Mantener constante el coeficiente de transferencia de masa

KL: esto se emplea en un fermentador cuando hay que

mantener constante la transferencia de oxigeno

Mantener constante el numero de vueltas del agitador (Na

cte) emplea un 20% de los procesos

Mantener constante el tiempo de Mezclado ( Tm) (un 20 %

de los procesos)

Mantener constante el numero de Reynolds

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27

5

1000

3

10001000

5

1

3

11

LR

LR

DNaNpP

DNaNpP

1) Escalado a relacin de potencia constante (P/V) = cte

Criterio muy usado en sistemas de baja viscosidad

L

L

L

L

V

P

V

P

1000

1000

1

1

reemplazando

LL VV 11000 .1000

1000

15

1

5

1000

3

1000

1

LR

LR

La

La

D

D

N

N

La relacin de potencia debe ser la misma para 1L y

1000L

Se supone que se aumenta 1000 veces el volumen

LRLR DD 1000110

Se aumenta 10 veces el

dimetro del rotor en el

escalado

8,3

6,4.

1000

110

1

1000

10001

5

1

1

3

1000

1

La

La

LaLa

LR

LR

La

La

NNo

NN

D

D

N

N

El numero de vueltas del rotor para el sistema 1000 L debe

disminuir en 3,8 veces respecto del tanque de 1 L , para que

P/V se mantenga constante

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28

2. Mantener constante el numero de vueltas del agitador

(Na cte) se emplea un 20% de los procesos

Se mantiene constante el numero de vueltas del rodete para 1 L y para

1000 L

Entonces de se deber modificar el DIAMETRO DEL ROTOR

53

RDNaNpP LL

L

L

V

P

V

P

1000

1000

1

1

REEMPLAZANDO

LlR

l

LR

l

lRDD

V

D

V

D11000

1

5

1000

1

5

10,4

1000

El dimetro del rotor para el tanque de 1000L debe ser 4

veces mayor que el de 1 L para mantener el numero de

vueltas constantes

3- Mantener constante el numero de Reynolds

2)Re( R

DNar

Se supone que la viscosidad es cte

Se supone que el dimetro del rotor se escala 10

veces

LLaLa NN

111000100

1

El numero de vueltas del rotor debe

disminuir

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29

57

1000 L1 L

Escalado a Tm constante: al aumentar el volumen del sistema, el recorrido que

realiza el fluido es mayor y por lo tanto la velocidad del liquido deber ser mayor

para mantener el mismo Tm.

4- Mantener constante el tiempo de Mezclado (

Tm) (un 20 % de los procesos)

58 )19(

:

)(

3

32

53

R

RR

R

DV

querecordando

NaDNaDP

DNaP

)20(

2

3

2

det:

)()60

2(

det

1

R

RT

DNav

DDr

Na

erodeltiempodeunidadporvueltasdenumeroNa

sRPM

angularfrecuencia

erodelradioelrsiendorv

La velocidad de rotacin (v) de un rodete es:

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30

59

)21(2

2

53

vV

P

VNavP

DNaP R

53

RDNaNpP

La ecuacin para la potencia se puede re escribir como:

Escalamiento

1L 1000 L

Mezclador que usa un rodete Rushton

Quiero mantener el Tm igual a 1 L y a 1000 L

en cuanto deber aumentar Na ?

LL VV 11000 .1000

60

El dimetro debe ser 10 veces mayor !!!

El recorrido deber aumentar 10 veces, para mantener el mismo valor

de tiempo de mezclado

ALGO IMPOSIBLE

LL vv 11000 .10

Si el dimetro aumenta 10 veces, el recorrido debe aumentar lo mismo

AB

Tiempo de recorrida constante,

Velocidad B >> Velocidad A

La velocidad del rodete debe aumentar 10 veces !!!!!!!!

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31

61

LL

LL

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

PP

VVv

v

V

P

V

P

vV

P

vV

P

10001

110002

1

1

1000

1000

1

1

2

1

1000

1000

12

1

1

000.100.

.1000.100

.10

)21(

qu ocurre con la relacin de potencia (P/V) ?

La conclusin final es que es muy difcil mantener el tiempo de mezclado

constante durante el escalado. Mantener el Tm constante en el escalado es un

criterio muy poco usado

Imposible de lograr por problemas

tcnicos !!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Aplicando la relacin de potencia / volumen

a cada sistema (P/V)

Nivel de agitacin P/V en kW/1000L

Bajo 0,2-0,6

Moderado 0,6-1

Alto 1-4

Muy alto >4

Requerimientos de potencia de agitacin

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VARIABLE LAB 20 L 500 L

1 L

DR 3 cm ? ?

P/V 1

Na 1

Re 1

Tm 1

Un tanque agitado de laboratorio conteniendo 1 L y un rotor Rushtom de 3 cm es

escalado a planta piloto. Suponiendo que las variables dinmicas valen la unidad

bajo esa condicin, calcule que valores adquirirn a escala piloto de 20 L y 500 L.