Agitação e mistura Revisão sobre agitação Exercícios

Agitação e mistura• Revisão sobre agitação

• Exercícios

Material/objetivo

Transporte Mistura SeparaçãoModificação de tamanho

Fluidos: líquidos e

gases

BombeamentoVentilação

Compressão

Agitação eMisturas

Centrifugação(L-L)

Atomização

Fluidos e sólidos

Transporte PneumáticoTransporte hidráulicoPerda de

pressão em leitos

empacotados

Fluidização

Suspensão de sólidos em

líquidos(agitação)

Filtração (L-S)Centrifugação

(L-S)Sedimentação

(L-S)Separação pneumática

(G-S)

Prensagem

Sólidos Transporte Mecânico de

sólidos

Misturadores de sólidos

Peneiragem Moagem

AGITAÇÃO E MISTURA

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA

Finalidade:Finalidade:

Mistura de fluidosMistura de fluidos

Transferência de calorTransferência de calor

Transferência de massaTransferência de massa

Facilitar reação químicaFacilitar reação química


Equipamento utilizado:Equipamento utilizado:

4 defletores igualmenteespaçados Wb

Hi

Elevação Plano

Defletores tão finoscomo possível

Impulsor tipo turbina

= Potência consumida

N= número de rotações

Hl = Altura do líquido

Wb = espessura do defletor

DT ou T= diâmetro do tanque

Di = diâmetro do impulsor

Hi = altura do impulsor

W = largura do impulsor

L = comprimento do impulsor

W


Impulsores :Impulsores :

Pás Pás

Turbinas de pás e discoTurbinas de pás e disco

Hélices Hélices

ÂncorasÂncoras

Espirais duplasEspirais duplas

São projetadas para uso em dispersão, dissolução, emulsificação de materiais sólidos/líquidos/gasosos.

Impulsores com alto cisalhamento Impulsores com alto cisalhamento (High Speed Disperser Blades):(High Speed Disperser Blades):

Produz alto cisalhamento, bombeamento e redução de tamanhos de aglomerados


Turbina de pás inclinadas:Turbina de pás inclinadas:

Linhas de escoamento e turbulência Linhas de escoamento e turbulência

ReynoldsReynolds

Número de PotênciaNúmero de Potência

Número de FroudeNúmero de Froude


Adimensionais:Adimensionais:

53/ iDNWPo

/Re 2iDN

gDNFr i /2

ExemploExemploTransferencia de masa:Transferencia de masa:A transferencia de massa tem por base os princípios de: convecção e difusão;A transferencia de massa tem por base os princípios de: convecção e difusão;A forma esquemática de entender o fenômeno de transferencia de massa pode A forma esquemática de entender o fenômeno de transferencia de massa pode ser dividida em diferentes etapas:ser dividida em diferentes etapas:i) transferência de massa da bolha para a interface gás-líquido;ii) transporte através da interface gás-líquido;iii) difusão do filme de líquido que rodeia a bolha;iv) transporte através da massa de líquido;v) difusão através do filme de líquido estagnado que rodeia as células;vi) movimento através da interface líquido-célula;vii) difusão através do sólido até a célula individual, caso as células estejam associadas em flocos, agregadas ou imobilizadas;viii) transporte através do citoplasma para o local de reação.


Transferencia de masa gas-líquidoTransferencia de masa gas-líquidoEm un proceso aerobio, o oxigênio é o substrato have e devido a sua baixa Em un proceso aerobio, o oxigênio é o substrato have e devido a sua baixa solubilidade em soluções aquosas, a transferência contínua de oxıgênio da solubilidade em soluções aquosas, a transferência contínua de oxıgênio da fase gasosa para a fase líquida para manter o metabolismo oxidativo das células é fase gasosa para a fase líquida para manter o metabolismo oxidativo das células é decisiva.decisiva.Coeficiente de transferência de oxıgênioCoeficiente de transferência de oxıgênioA capacidade de absorção de oxıgênio de un biorreator agitado A capacidade de absorção de oxıgênio de un biorreator agitado mecanicamente é representado pelo coeficiente volumétrico de transferência de mecanicamente é representado pelo coeficiente volumétrico de transferência de

masa masa kkLLa;a;

O sensor de oxıgênio dissolvido é utilizado frequentemente para medir o O sensor de oxıgênio dissolvido é utilizado frequentemente para medir o kkLLaa;;

Primeiramente, o biorreator é burbulhado com nitrogênio e no tempo igual a Primeiramente, o biorreator é burbulhado com nitrogênio e no tempo igual a zero, inicia o borbulhamento com ar;zero, inicia o borbulhamento com ar;Então, a taxa de transferência de oxıgênio pode ser modelada como o produto de Então, a taxa de transferência de oxıgênio pode ser modelada como o produto de da diferencia entre la concentração de equilibrio e a concentração existente na da diferencia entre la concentração de equilibrio e a concentração existente na fase líıquida e o coeficiente global de transferencia de massa de gásfase líıquida e o coeficiente global de transferencia de massa de gás


Determinação do coeficiente volumetrico de transferencia de oxıgênio:Determinação do coeficiente volumetrico de transferencia de oxıgênio:Diferentes metodos são utilizados para medir o coeficiente volumétrico de Diferentes metodos são utilizados para medir o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio, ktransferência de oxigênio, kLLa.a.

a) Método diretoa) Método diretob) Método dinâmicob) Método dinâmicoc) Método sulfitoc) Método sulfitod) Método com peróxido de hidrogêniod) Método com peróxido de hidrogênioO segundo método o qual utiliza para a medição do oxıgênio dissolvido um O segundo método o qual utiliza para a medição do oxıgênio dissolvido um sensor, é o metodo mais adequado que e pode ser utilizado tanto na presença sensor, é o metodo mais adequado que e pode ser utilizado tanto na presença quanto na ausência de reação.quanto na ausência de reação.


)( *LLL

L CCakdt

dC (1)


CL=Concentração de oxigênio dissolvido na fase líquida;

CL*= Concentração de oxigênio dissolvido no tempo “t”;

KLa= Coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio

KLa, função da geometria do reator: dimensão, diâmetro, tipo de impulsor, niveis de mistura do sistema, volume de ar, propiedades físicas do meio de cultura, solubilidade do composto.

(1))( *LLL

L CCakdt

dC


Método dinâmico (Gas-out gas-in):Calibrar e medir kLaPara calibrar o sensor, se prepara água saturada com ar passando burbulhas de ar em um pequeno volume (100 mL) de água perfeitamente agitado;Por exemplo cm um agitador magnético, simultâneamente se prepara água saturada com nitrogênio da misma forma;Coloca-se o sensor de oxigênio dissolvido em água saturada com nitrogênio e se ajusta a leitura em 0%;Coloca o sensor na água saturada com ar, esperar uma resposta estabelece por exemplo, dois o três minutos sem variação e se ajusta o sensor a 100 %.


Tempo de resposta do eletrodo:

Outro parâmetro importante do sensor de oxıgênio dissolvido é o tempo de resposta;Isto se pode medir mudando o sensor de meio com distinta pressão parcial de oxigênio no meio e medindo a sua resposta;A resposta do sensor pode aproximar-se de um sistema de primeira ordem:

)(1*

p

p

t

te

C

C (2)


C* = concentração de oxigênio na amostra 100% saturada;Cp = concentração de oxigênio medido pelo sensor no tempo “t” = constante de tempo do sensor, que é o tempo quando a resposta do sensor tiver medindo 63,7% da resposta final;Nesta condição a equação (2), pode ser transformada em uma exponencial, nas condições iniciais em que C*=0 e t=0, então vem:

p

)(*

dt

dCcc p

pp

)(1*

p

p te

C

C

(3)


Linearizando (3), vem:

A magnitude de depende da velocidade do líquido e da estabilidade e durabilidade do sensor;

Portanto se a uma medida a uma determinada velocidade de agitação é usada para medir o kLa em diferentes velocidades de agitação, isto poderia provocar um erro muito grande.

Uma forma segura é usar a mesma velocidade de agitação para ambas as determinaçõesentretanto, se o kLa−1 é muitoo maior que esta preocupação não é necessária.

(4))1

()1ln(*

tC

C

p

p

p

p

p

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURADeterminação do kLa por regressão linear

A equação (1): pode ser integrada com as condições

iniciais apropriadas para obter a concentração de oxigênio dissolvido em função do tempo:Integrando nas condições iniciais em que CO2 = CO2

0 a t = t0

)( *LLL

L CCakdt

dC

2

*2 22

2

*

O

O O

C

C

t

t

LOO

O dtakCC

dC

)(ln22

22

*

*

oLoOO

OO ttaKCC

CC

(5)

(6)

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA equação (6), resulta numa equação linear em que o valor de KLa é determinado pela inclinação da reta:

)(ln22

22

*

*

oLoOO

OO ttaKCC

CC

(6)


Exemplo A

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA Figura, mostra os dados de um fermentador (volume, tipo e geometría, impulsor, propriedades do meio de cultura e as condições de operação), para determinação do kLa

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA Figura, mostra um esquema do equipamento utilizado breve descrição das metodologias experimental tanto de calibração, caracterização do eletrodo, tempo de resposta, assim como para a determinação experimental do coeficiente volumétrico de transferência de oxıgênio pelo método dinâmico sem reação.

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA Figura, mostra a forma tabulada do grafico, com os dados de oxigênio dissolvido obtido em função do tempo;É importante alcançar uma boa distribuição dos dados na forma de hiperbole;Para atingir o formato, pode diminuir o intervalo de coleta dos dados.

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA Figura, mostra os resultados da regressão linear da equação integrada de transferência de oxıgênio;O gráfico com a correspondente reta mostra como obter o valor kLa; O resultado está em (s−1), devido as unidades em que se trabalhou mas (h−1), são as unidades em que normalmente se reporta na literatura


Exemplo B

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURANa Figura, é apresentado o enunciado de um problema (Adaptado Ej. 10.4, pag 439; Nielsen y col. 2003). Os números em vermelho indicam quais são os dados a introduzir.

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA Figura, apresenta os gráficos que se obtém ao modificar a velocidade de agitação e a velocidade superficial com o desenho do reator selecionado

AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA A Figura , apresenta as equações obtidas ao realizar as regressões dos dados experimentais e ao combinar os resultados.


FONTE:Desarrollo de material de aprendizaje en la carrera de Ingenier´ıa Bioq´ımica: Sergio Huerta Ochoa , Arely Prado Barrag´an, ∗Mariano Guti´errez RojasDepto. Biotecnolog´ıa. UAM-Iztapalapa [email protected]∗

mailto:[email protected]

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