• Author / Uploaded
• Gerardo Flores Nazario

Citation preview

INTRODUCCION Biorreactores agitados neumático se aprovechan de la inyección de una corriente gaseosa (a menudo aire) para proporcionar una mezcla y mediar la transferencia de sustancias gaseosas (es decir, O2 y CO2) con la fase líquida. Sin embargo, a diferencia de en los reactores agitados neumáticamente clásicos donde la mezcla líquida es (es decir, la columna, la burbuja) al azar, el diseño específico de los reactores de transporte aéreo (ALRS) hace que el líquido circule entre dos zonas interconectadas conocidos como el tubo ascendente y el tubo de bajada [1]. El tubo ascendente y el tubo de descenso están conectados por una base de reactor específica que permite la circulación de líquido y por un separador gas-líquido en la parte superior. Bajo condiciones de operación típicas, se inyecta aire por debajo de la sección de tubería vertical y la eliminación de gas en el separador genera un gradiente medio de densidad entre el tubo ascendente y zonas de tubos de descenso que causa el caldo líquido circule (Figura 1). La función del separador de gas es apoyar la retirada eficiente de gas-líquido. La fracción de gas introducido en la sección de tubo de descenso depende del diseño y de las variables operacionales. Esta fracción tiene un efecto significativo en la dinámica de fluidos y, en consecuencia, el rendimiento del reactor. La introducción de la energía focalizada para mezclar en biorreactores clásicos genera grandes gradientes de cizallamiento que hacen que las células experimentan estrés mecánico en las zonas de alta turbulencia y las concentraciones de solutos subóptimas (es decir, O2, CO2, H +, y toxinas, etc.) y condiciones de temperatura o en las zonas de baja turbulencia [2]. Por el contrario, la circulación de líquido entre el tubo ascendente y el tubo de bajada (en lugar de inyección de gas) es el principal contribuyente a la dinámica de fluidos en ALRS. Debido a la circulación de líquido es causada por el gradiente entre las densidades promedio del fluido en las dos secciones del reactor, no hay ningún punto focal de la disipación de energía y fuerzas de corte son muy homogéneos dentro de cada sección, provocando menos estrés celular. Los ALRS también supuestamente apoyan mayores tasas de transferencia de masa por la entrada de energía que los sistemas clásicos y eficiencia de la transferencia (es decir, la cantidad ofO2 transferido por la entrada de energía) es mucho menos afectadas por la entrada de energía en ALRS que en los sistemas clásicos. Las dos ventajas principales de ALRS aquí descritos explican por qué estos sistemas a menudo se prefieren para el cultivo de células sensibles al cizallamiento de los mamíferos y las plantas o durante las aplicaciones de tratamiento de aguas residuales que requieren el uso eficiente de la energía (costes de aireación representan aproximadamente el 50% de los costos de energía durante el tratamiento de aguas residuales domésticas ). Investigación y desarrollo sobre ALRS se ha centrado hasta ahora en demostrar el potencial de este sistema en nuevas aplicaciones o modelar las complejas relaciones entre diseño y parámetros de funcionamiento y la dinámica de fluidos y transferencia de masa. Muchos modelos experimentales y mecánicos que pueden describir el funcionamiento y el rendimiento ALR son por lo tanto

disponible [3]. Sin embargo, la validez de estos modelos es demasiado a menudo limitada a aplicaciones específicas o configuraciones del reactor. Por esta razón, sólo se presentan los modelos más relevantes, ampliamente aceptados y genéricos aquí para ilustrar cómo el diseño y los parámetros de funcionamiento influyen en la dinámica de fluidos y las propiedades de transferencia de masa.

CONFIGURACIONES DEL REACTOR Los ALRS se clasifican comúnmente de acuerdo con su estructura física. Externo (o de bucle exterior) ALRS se construyen utilizando elevador separado y compartimentos conectados por tubos de descenso conductos horizontales cerca de las secciones superior e inferior (Figura 2 (a)). En lugar de ello, el elevador de tubo de descenso y se encuentran físicamente en el mismo recipiente de ALRS de bucle interno y separados, bien por un deflector de división o una

Figura 1 Ilustración esquemática de componentes típicos de un ALR. Solid flecha muestra la dirección de los fluidos en el sistema.

Figura 2 Ilustración esquemática de (a) un ALR-bucle externo; (b) una división interna de bucle ALR; (c) un proyecto de tubo concéntrico roció interna de lazo ALR; y (d) un anillo roció ALR-bucle interno. Proyecto de tubo concéntrico (Figuras 2 (b) -2 (d), respectivamente). En los reactores de bucle interno, ya sea el proyecto de tubo concéntrico o el anillo puede actuar como un tubo ascendente en función de la ubicación del rociador de gas [3, 4]. Sistemas de circuito externo son menos versátiles en términos de diseño del reactor y hasta ahora han apoyado significativamente menos aplicaciones que interna de lazo ALRs.However, mientras que la velocidad de circulación del líquido depende fundamentalmente de la entrada de gas en ALRS bucle interno, la circulación de líquido se puede regular mediante la instalación una válvula de control en el conducto que conecta el tubo de subida y tubo de descenso en ALRS externos. ALRS de bucle externo normalmente soportan velocidades de circulación superiores líquidos y las tasas de transferencia de masa más bajas que las de división y el proyecto de tubo ALRS bucle interno [3]. ALRS internos y bucle externo se forman generalmente como recipientes cilíndricos Aunque las configuraciones rectangulares y cuadrados se han utilizado en la industria. Diseños rectangulares o cuadradas pueden ser más fáciles de fabricar pero contienen un mayor número de zonas potencialmente estancadas. En la práctica, los sistemas de transporte aéreo cilíndricos están diseñados con altura total a las relaciones de diámetro (H / D) de aproximadamente 10, tubo de descenso de tubo elevador relaciones de área de sección transversal (Ad / Ar) que varía de 0,5 a 1. Estos reactores son típicamente funcionan a gas superficial velocidades en el tubo ascendente (UGr) que van desde 0,01 a 1 m s-1 y velocidades de líquidos superficiales inducidas en el tubo ascendente (ULR) ofupto2ms-1 [3, 5]. Independientemente de la configuración ALR seleccionado, el burbujeador de gas está óptimamente situado justo dentro de la tubería de retorno en lugar de

la práctica convencional de fijación en la base del reactor [3]. En el diseño convencional mostrado en la Figura 1, el fluido circulante que fluye desde el tubo de bajada puede forzar la distribución de gas hacia una de las paredes de los tubos ascendentes, que promueve la coalescencia de las burbujas y la canalización. Requisitos especiales de proceso se han traducido en el desarrollo de configuraciones de transporte aéreo no convencionales [6]. Por lo tanto, los reactores de bucle externo diseñado con un tubo ascendente basado en convergentes y divergentes boquillas (variando Ad / Ar) han apoyado significativamente más altos coeficientes de gas-liquidtransfer que ALRS de bucle externo convencionales como resultado de una mayor turbulencia en el tubo ascendente (Figura 3 (a )). ALRS-bucle interno con el proyecto de tubos perforados pueden apoyar los tiempos de mezcla significativamente más bajos y los coeficientes de transferencia de masa más altos en medios de baja viscosidad en comparación con sistemas no perforadas debido a un movimiento de flujo radial mejorada a través de las perforaciones (Figura 3 (b)). ALRS Cascade permiten el establecimiento de entornos de cultivo secuenciales (es decir, aeróbica / anaeróbica) sin la necesidad para la interconexión de tuberías o bombas entre cada etapa de tratamiento (Figura 3 (c)). Airlift de lecho empacado reactores híbridos (Figura 3 (d)) combinan la facilidad de control de pH y oxígeno disuelto de los sistemas de transporte aéreo con el medio ambiente protección de lechos de relleno biofilm. La instalación de staticmixers en el tubo ascendente de burbujas de gas ALRS promueve la ruptura y posteriormente aumenta el gas-líquido zonas interfaciales disponible transferencia formass (Figura 3 (e)). Asimismo, la instalación de promotor de flujo helicoidal deflectores en la parte superior de la tubo de descenso puede mejorar la mezcla radial y la transferencia de masa sólido-líquido y disminuir la entrada de energía mínimo para la fluidización sólido hasta cuatro veces [7]. Entrada de energía Independientemente de la configuración utilizada, el rendimiento ALR se rige principalmente por la fuente de alimentación específica para el reactor. La entrada de energía en ALRS lotes se utiliza principalmente para la expansión isotérmica del gas desde la presión hidrostática en la base del reactor a la presión en el espacio de cabeza ALR. Esta entrada de energía se transmite a la fase líquida, lo que provoca la circulación de líquido macroscópica [6]. La energía necesaria para la inyección de chorro de gas en el sistema a través del rociador de gas se puede excluir del cálculo de entrada de energía específica, ya que nunca excede de 1,5% de la potencia total para la mayoría de los diseños de rociadores y las tasas de flujo de gas [3]. Por consiguiente, la entrada de energía específica en un ALR se calcula a menudo como:

Ilustración esquemática de (a) un ALR de bucle externo con un elevador ondulante; (b) un proyecto de tubo perforado roció ALR-bucle interno; (c) una cascada ALR; (d) un lecho de relleno ALR-bucle externo híbrido; y (e) un tubo de aspiración roció ALR-bucle interno con mezcladores estáticos en la tubería de retorno. Adaptado de Chisti Y (1998) biorreactores agitados neumático en bioprocesos industriales y medioambientales: Hidrodinámica, hidráulica, y fenómenos de transporte. Mecánica Aplicada Comentarios 51: 33-112, [6], con permiso. donde PG es la entrada de potencia debido a la introducción de gas, VL es el volumen de la fase líquida en el ALR,? L la densidad de la fase líquida, g la aceleración de la gravedad, y UGr la velocidad superficial del gas en el tubo ascendente calcula como:

donde Qm es la tasa de flujo de gas molar, hL la altura estática del líquido-gas libre, R la constante universal de gas, T la temperatura absoluta en la fase de gas, y Ph la presión del espacio de cabeza. En muchas situaciones prácticas (medios altamente turbulentos), el tamaño máximo de burbuja de gas estable en la dispersión se ha correlacionado con la entrada de potencia real como:

donde σ es la tensión superficial del medio de cultivo. Como regla general, la entrada de energía específica en ALRS no exceda normalmente 2-3kWm-3, los valores que pueden ser uno o dos órdenes de magnitud inferiores a las registradas en los reactores de tanque agitado convencionales para las mismas aplicaciones biotecnológicas o ambientales. Estas entradas de alimentación pueden ser donde se requiere baja tensión de cizallamiento [6] aún más baja (0,1 kW m-3) en las aplicaciones. Gas licuado Hidrodinámica Gas Atraco El general (εG), atracos riser (εGr), y bajante (εGd) de gas tienen influencias cruciales en circulación del líquido y la transferencia de masa en ALRS [3, 6]. Estas variables se definen como la fracción volumétrica de gas en la dispersión de gas-líquido-sólido en el volumen de control analizadas (reactor, vertical, o tubo de bajada). La retención global de gas por lo tanto se puede expresar como:

donde VG y VS representan el volumen de las fases de gas y sólidos (sólidos en suspensión), respectivamente. La retención global de gas también puede estimarse a partir de la columna individual y atracos tubos de descenso de la siguiente manera:

La retención de gas influye en el volumen total del reactor, el área de contacto gas-líquido disponible para la transferencia de masa (y por lo tanto las tasas globales de transferencia de masa volumétrica) y el tiempo de residencia del gas en la fase líquida [3, 8]. El volumen de un ALR depende de la retención de gas global máximo (típicamente 0,3), que corresponde al volumen máximo de fase de gas que puede ser acomodado dentro del reactor [3]. Propiedades de los fluidos tales como la tensión superficial, la densidad, la viscosidad, y la fuerza iónica, y las variables de diseño ALR como la relación de Ad / Ar o hL afectan atracos de gas y distribuciones de tamaño de burbuja. Por ejemplo, εG disminuye a aumentar Ad / alturas Ar o reactor como resultado del aumento de las velocidades de circulación de líquido [3, 4]. La presencia de sólidos también se conoce para disminuir εG. Los valores individuales de los atracos de subida y de gas de tubo de descenso son de suma importancia, ya que su diferencia constituye el motor de la circulación de líquido [4]. Esta

diferencia se determina por la geometría del reactor (eficiencia de separación gas-líquido y la velocidad del líquido en el tubo ascendente y el tubo de bajada); las propiedades del fluido (viscosidad y tensión interfacial); y la velocidad superficial del gas (entrada de alimentación). A pesar de presentar variaciones radiales y axiales, valores medios de εGr y εGd se reportan comúnmente para fines de diseño y operación. Fuertes evidencias empíricas apoyan la existencia de una correlación lineal entre εGr y εGd [3]. La mayoría de las numerosas correlaciones que se han desarrollado para predecir los atracos generales e individuales de gas son específicos de la combinación de líquido reactor particular utilizado para los datos de ajuste. Correlaciones generales capaces de predecir atracos de gas en virtud de la amplia gama de configuraciones ALR encontraron y las condiciones operativas utilizadas son por lo tanto crucialmente necesarios [4, 6]. Velocidad de circulación del líquido En ALRS, burbujeo de gas en el tubo ascendente genera una diferencia en las densidades aparentes de los fluidos entre el tubo ascendente y el tubo de bajada que impulsa la circulación del líquido en general a lo largo de un camino definido (flujo ascendente en el tubo ascendente y flujo descendente en el tubo de bajada). La velocidad de circulación del líquido está por lo tanto rige por la geometría del reactor, las propiedades del fluido, y la velocidad del gas. Es una variable operativa clave que determina los atracos parciales de gas en el medio de cultivo (y por lo tanto las tasas de masa y de transferencia de calor), el grado de mezcla, el campo de esfuerzo cortante, y los regímenes de flujo de las fases de gas y sólidos. Las velocidades superficiales de líquido y gas en el tubo ascendente son a menudo empíricamente correlacionadas con expresiones matemáticas tales como [3]:

donde ω es una función de la geometría ALR y las propiedades del fluido (por ejemplo, 0.166