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CARRERA DE ESPECIALIZACION EN CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIALBIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL

FCEyNFCEyN--INTIINTI

Materia de Especialización CEBI_E10

BIORREACTORES II

Docente a cargo: Luis DUCREY

E. mail: lducrey@gemabiotech.com

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Columnas de burbujeo y

Reactores de arrastre (“air-lift”)

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TANQUE AGITADO

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COLUMNA DE BURBUJEOColumna de Aireación

- La agitación es por un flujo neumático y es azarosa

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COLUMNA DE BURBUJEOColumna de Aireación

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Tienen una geometría que determina un canal de ascenso y un canal de descenso conectados generándose un loop de recirculación.

AIR LIFT

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AIR LIFT

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4 Partes diferenciadas

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RISER: Donde se inyecta el aire y sube junto al líquido

DOWNCOMER: paralelo al riser. El líquido fluye hacia abajo

BASE: Conecta al riser con el downcomer en la base del reactor, su diseño impacta en:

- gas holdup- velocidad del líquido- flujo de fase sólida

GAS SEPARATOR: Conecta al riser con el downcomer en la parte superior, su diseño impacta en:

- la recirculación- separación de las burbujas

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Airlift vs CSTR

CSRT, cumple con la mayoría de los requerimientos:- Transferencia de Oxígeno- Remoción de gases de desecho- Distribución homogénea de nutrientes- Rápido mezclado de bases, ácidos concentrados- Transferencia de calor- Ambiente libre de contaminación

Pero, la Energía se aplica muy localizada generando un gradiente de Fuerza de corte (shear).

AIRLIFT - Tiene una mayor simplicidad mecánica.- La circulación es debido a diferencia de hold-up que genera diferencia de Presión. No hay un foco dedisipación.

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ΔPb : Diferencia de presión en la base

ρL : Densidad del líquido

g : Cte gravitacional

φr : Gas holdup en el riser

φd : Gas holdup en el downcomer

De esta manera se logra una Fuerza de corte bastante homogenea y baja

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Menores costos de Energia

La eficiencia de la OTR (masa de O2 absorbida por unidad de Energía dada el sistema por unidad de T) es mayor

Es independiente a los cambios operacionales, no en los CSTR

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Variables de diseño yVariables operacionales

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Configuración del Flujo

RISER, el gas fluje a ≥ velocidad. A burbujas mas pequeñas se van igualando las velocidades.

Mas de 12 configuraciones, las mas importantes:

1- Flujo homogeneo: burbujas pequeñas, uniformes endiámetro, resultando en baja turbulencia.

2- Flujo turbulento: Burbujas de diversos tamaños.

La 1 puede pasar a 2 aumentando el flujo de aire o zonalmente con ≠ diámetros

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Burbujas grandes en canal de bajo diámetro

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Configuración del Flujo

DOWNCOMER, el líquido fluje a ≥ velocidad.

Arrastre de burbujas – VelocidadA baja -- tiempo de residencia suficiente en el separador. Al aumentar -- se van arrastrando burbujasMayor tamaño a mayor velocidad

Las grandes reducen el paso del líquido y este aumenta su velocidad, hacia abajo este efecto es menor y la fuerza de arrastre también. Se genera una estratificación

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Al aumentar la velocidad la estratificación va bajando

>FG

Hasta llegar a una distribución homogénea – Flujo deseado

La relación del área seccional del riser en fc del downcomer determina la configuración del flujo

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Configuración del Flujo

GAS SEPARATOR, de su diseño depende el escape de burbujas.

El grado de escape influye en:

- Gas Holdup

- Velocidad del líquido

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- Da idea de la capacidad de transferencia de masas

- La diferencia entre el gas holdup del riser y el downcomer es lafuerza motriz que genera la recirculación del líquido. Importa lafracción total de gas no cuan particionado esté.

-Aumenta con la disminución de la relación área seccional del downcomer y del riser

< Ad / Ar > Gas holdup

Gas Holdup

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φr : Gas holdup en el riser

JG : Velocidad del gas por unidad de sección

Ad / Ar : Relación área seccional del downcomer y del riser

μap : Viscosidad del líquido

A, α,β,γ :constantes

El JG depende de la geometría del separador, ya que si hay reflujode burbujas:

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También se puede agregar términos que representan la liberación de las burbujas

DS : Diámetro del separador de gas

D : Diámetro del reactor

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φd es despreciable a bajos flujos

> φr aumenta el φd

El gas holdup en el separador es el promedio de todo el sistema, con un topclearence corto (1-2 diámetros). Sino el separador se asemeja a un reactor de burbujas.

< Ad / Ar > Gas holdup

En un airlift de loop externo, el separador de gas es más efectivoY no hay retorno de burbujas

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Columnas de burbujeo y

Reactores de arrastre (“air-lift”)

TRANSFERENCIA DE O2

RO2: Coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (OTR)

OTR : KLa (C*- C) válido para sist homogeneos

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Si Tc . KLa < 0,5

Tc : Tiempo de circulación

Se puede considerar perfectamente mezclado

Cómo varía el Kla con el flujo de aire según zonas del airlift

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Transferencia de Calor

Para reactores No-Newtonianos

Para reactores Newtonianos

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Mejoras de Diseño

- Mayor recirculación, cultivos muy viscosos

- Distribución mas uniforme del O2 disuelto

- > OTR

Pero > Fuerza de corte

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Mejoras de Diseño

- Aumenta el gas holdup

- > área interfacial gas/líquido

- > KLa

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Mejoras de Diseño

- Mejora la transferencia de masa en eldowncomer aun con menor velocidadde flujo.

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Mejoras de Diseño

- Aumenta el hold up

- Aumenta la velocidad de circulación

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Mejoras de Diseño

-El flujo en el downcomer sigue un patrón helicoidal. Generado por pequeños bafles

-Mejor transferencia de calor

-Óptimo para fotosintéticos por mayorexposición de todas las células

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RESUMEN

- Airlift propicios para procesos que requieran altas transferencias de masas pero baja F de corte

- Para procesos que precise bajo costo donde deba ser tenido en cuenta el factor de eficiciencia de Energía. Ej: tratamiento de efluentes.

- Son efectivos en procesos donde se precise fluidificar sólidos (Ej: pellets de microorganismos con baja tasa de replicación)