Transferência de O2 em Biorreatores: Agitação e Aeração

Agitação e aeração cont Prof Larine Kupski Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados Determinação experimental KLa Correlação KLa com agitação e aeração Atender a demanda de QO2X Agitação mistura em biorreatores Tornar ou manter uma solução homogênea Mistura de compostos solúveis no meio como carboidratos Manter sólidos em suspensão por exemplos células Tornar eficientes os processos de transferência de calor e massa Dispersar ar no meio líquido na formas de pequenas bolhas Esses objetivos podem ser atingidos na medida em que se busque movimentar o líquido no interior de um recipiente Procurase transmitir potência energiatempo ao líquido através de um sistema de agitação Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados Quando um dado impelidor gira imerso em um líquido a capacidade desta turbina de transmitir potência ao líquido depende de variáveis tais como tipo de impelidor diâmetro do impelidor a frequência do agitador o diâmetro do tanque a altura da coluna líquida a existência ou não de chicanas e sua largura as características do líquido densidade viscosidade Correlacionar variáveis adimensionais Agitação em biorreatores RUSHTON Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS Agitação em biorreatores Potência transmitida para diferentes impelidores e geometrias Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS Agitação em biorreatores Potência N frequência de agitação rps ou s1 Di diâmetro do impelidor m µviscosidade kgms Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS Agitação em biorreatores na região de transição há uma queda do Np o que é interessante para um processo fermentativo quando ocorre aumento na viscosidade do meio e portanto uma redução no NRe Caso o sistema de agitação tenha sido dimensionado na região turbulenta operando com uma frequência de agitação constante não haverá risco para o motor com o progresso da fermentação pelo menos até à região laminar Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS Agitação em biorreatores O motivo que determina uma menor transmissão de potência ao líquido por uma turbina tipo hélice propeller reside no fato de que este impelidor tem um fluxo de descarga do líquido na direção axial para baixo na direção do eixo vide Fig 1411 Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS Agitação em biorreatores A turbina de pás planas apresenta fluxo de descarga na direção radial na direção das paredes do tanque vide Fig 1412 Assim são turbinas que podem ter funções distintas em um reator mas em termos de transferência de potência sem dúvida a turbina tipo flatblade é mais efetiva Agitação em biorreatores Potência Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS P real fc x P obtida pelo gráfico Rushton Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS Agitação em biorreatores Outros fatores que influenciam na potência A geometria do sistema interfere na potência transmitida a altura da pá Wi da turbina a distância da turbina ao fundo do tanque ocorrendo a máxima transmissão de potência na condição CDi1 Adição de mais impelidores Agitação em biorreatores Outros fatores que influenciam na potência Adição de mais impelidores É bastante intuitivo imaginar que caso se pretenda colocar dois impelidores em um eixo se estes estiverem muito próximos um do outro não se terá a máxima eficiência na transferência de potência assim como não se atingirá a melhor condição de mistura Por esta razão recomendase Distância entre os impelidores Nº de impelidores Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS i Exemplo 1 Um caldo de fermentação com viscosidade 102 Pas e densidade 1000 kg m3 é agitado em um tanque de 50 m3 usando uma hélice de 13 m de diâmetro Calcule a potência necessária para uma velocidade do agitador de 4 s1 Tempo de mistura tm Parâmetro útil para avaliar a velocidade geral de mistura em recipientes agitados Tempo necessário para atingir um determinado grau de homogeneidade a partir do estado completamente segregado Tamanho do tanque e do impelidor as propriedades do fluido e a velocidade do agitador DT é o diâmetro do tanque ρ é a densidade VL é o volume de líquido P é a potência e Di é o diâmetro do impelidor Recipientes agitados sob condições de fluxo turbulento Aplicada independentemente do tipo de impelidor usado Exemplo 2 Um fermentador de tanque agitado com diâmetro do tanque e altura de líquido igual a 12 m é agitado usando um impelidor de pás planas O diâmetro do impelidor é de 042 m e a velocidade do agitador é de 15 s1 A viscosidade do caldo de fermentação é de 102 Pas e a densidade é de 1000 kg m3 Estime o tempo de mistura em condições não aeradas Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NÃO NEWTONIANOS Agitação em biorreatores Durante uma fermentação e possível que ocorram alterações significativas no meio o qual pode passar a condição de não Newtoniano o O mais comum e o meio passar a um comportamento pseudoplastico Fluidos não Newtonianos Estimativa da potência transmitida é mais difícil Viscosidade depende do gradiente imposto pelo impelidor dvdr Trabalhar com µaparente e Nre m Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NÃO NEWTONIANOS Agitação em biorreatores K índice de consistência kgmsn2 n índice de comportamento do fluxo adimensional Impelidores Hélice Turbina de disco de seis lâminas planas turbina de pás inclinadas Parafuso helicoidal Âncora Relações matemáticas para operação da turbina Rushton Dois adimensionais são usados para prever a ocorrência de carregamento loading ou dispersão completa o Número de aeração ou número de fluxo gasoso ou número de aeração Flg ou NA e Número de Froude Fr Flg ou NA apresenta a razão entre a vazão de gás e a capacidade do impelidor Fr a razão entre as forças inerciais e gravitacionais NA Fg NDi 3 Em que Fg vazão de ar m³s N nº de rotação rps Di diâmetro do impelidor m g aceleração da gravidade ms2 Fr 𝑁2𝐷𝑖 𝑔 Relações matemáticas para operação da turbina Rushton NA02 𝐷𝑖 𝐷𝑇 05 𝐹𝑟05 Operação em dispersão completa Operação na transição floodingloading inundaçãocarregamento NA30 𝐷𝑖 𝐷𝑇 35 𝐹𝑟 Exemplo 01 Um fermentador tem diâmetro 14 m e opera com altura de líquido também de 14 m O reator é equipado com uma turbina Rushton com diâmetro 05 m a 75 rpm O meio recebe ar a 028 m3min1 Com a ocorrência de um problema no motor a agitação é reduzida para 45 rpm aSob as condições normais de operação o gás é completamente dispersado b Após a redução na velocidade de agitação o impelidor está operando inundado ou carregado Exemplo 02 Um biorreator aerado de 12 m de diâmetro é usado para cultura em batelada de Brevibacterium flavum O reator é agitado usando uma turbina Rushton de 04 m de diâmetro No início da cultura quando a concentração celular e os requisitos de oxigênio da cultura são relativamente pequenos a velocidade de operação do agitador de 110 rpm é suficiente para dispersar completamente as bolhas de ar No final da cultura quando a densidade celular é alta é decidido dobrar a vazão volumétrica de ar para fornecer mais oxigênio a O impulsor será inundado ou carregado nessas condições b Qual velocidade do agitador é necessária para atingir a dispersão completa do gás na nova taxa de aeração Usar g98066ms2 Agitação de líquidos newtonianos submetido a aeração Quando se tem bolhas de ar suspensas em um líquido ocorre uma redução na densidade aparente o que deve provocar uma redução na potência que se consegue transmitir em relação à potência transferida ao líquido não aerado Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS Número de aeração Em que Fg vazão de ar m³s N nº de rotação rps Di diâmetro do impelidor m NA ൘ Fg Di2 NDi Fg NDi 3 Potência transferida ao líquido pela aeração Contribuição da injeção de gás à potência total Pv Fg ρ g HL Pv potência transmitida ao líquido pela aeração Fg vazão de gás ρ massa específica do líquido g aceleração da gravidade HL altura de líquido no reator Normalmente negligenciada por ser uma pequena fração da potência total exceto em altas vazões de aeração e baixas velocidades de agitação ou reatores somente aerados 𝑉𝐿 𝜋 𝐷𝑇 2 2 𝐻𝐿 Exemplo 3 Células de hibridoma de camundongo são cultivadas em cultura em suspensão em um tanque agitado de 1 m de diâmetro e volume líquido de 08 m3 A velocidade do agitador é de 15 rps O reator tem quatro defletores de 10 e é aspergido com ar a uma vazão de 03 vvm volume de gás por volume de líquido por minuto A densidade do meio é de 1000 kgm3 e a viscosidade é de 14 cP O impulsor é uma turbina Rushton de 04 m de diâmetro Np55 escoamento turbulento a O ar está efetivamente disperso neste sistema b Que proporção da entrada de energia é proveniente da aeração Exemplo 04 Um fermentador misturado e agitado é usado para cultivar Streptomyces canelaensis para produção de monensina O diâmetro do tanque e a altura do líquido são ambos de 11 m A densidade do caldo é de 1000 kg m3 e a viscosidade é de 15 cP O fermentador é misturado usando uma turbina Rushton com metade do diâmetro do tanque Np59 A vazão de ar é de 066 vvm volume de gás por volume de líquido por minuto aQual é a velocidade do agitador necessária para a dispersão completa do gás bQuais são os requisitos de energia para a dispersão completa do gás Suponha que o consumo de energia com gaseificação seja 50 sem gaseificação Usar g98066ms2 Agitação de líquidos newtonianos submetido a aeração Outra forma de se obter a potencia transmitida para o meio aerado foi proposta por MICHEL e MILLER a partir de seus resultados experimentais Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados LÍQUIDOS NEWTONIANOS A constante de proporcionalidade é função da geometria e para esse caso foi de 0706 Pg P2NDi 3 Fg056 045 Pg0706 P2NDi 3 Fg056 045 Pg e P em W N em s1 Di em m Fg em m3s1 A potencia do motor deve ser igual a Pg mais a potencia correspondente a perda no selo mecânico Agitação de líquidos submetido a aeração Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados Transferência Energia para líquido Newtoniano e não Newtoniano c ou s aeração Influência da transferência de potência ao líquido e condições de aeração na capacidade de transferência de oxigênio Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados KLaA Pg VL α vs β Líquidos Newtonianos A constante que depende da geometria do sistema assim como do sistema de unidades empregado VL volume de líquido submetido à agitação e aeração m3 vS velocidade superficial do ar ms Fg vazão de ar m3s DT diâmetro do tanque m αβ constantes empíricas 02 10 vs 𝐹𝑔 𝑆 𝑆 𝜋𝐷𝑇 2 4 Transferência de O2 em sistemas aerados e agitados KLa𝐵 Pg VL α Vs β 𝜇𝑎𝑝 𝛿 Viscosos e NãoNewtonianos B é uma constante modificada que reflete as propriedades do líquido além da viscosidade VL volume de líquido submetido à agitação e aeração m3 vS velocidade superficial do ar ms Fg vazão de ar m3s DT diâmetro do tanque m αβ constantes empíricas 02 10 δ 05 a 13 vs 𝐹𝑔 𝑆 𝑆 𝜋𝐷𝑇 2 4 Aeração e Agitação Exemplo 03 As dimensões de um fermentador equipado com um impelidores de pás planas é Diâmetro de fermentador DT 3m Diâmetro do impelidor Di 15m Profundidade do líquido HL 5 m Largura da chicana Wb03 m O fermentador é utilizado para uma fermentação específica A viscosidade e a densidade do meio são ρ 1200 kgm3 µ 002 kgms Sabendo que a velocidade de rotação é N 60 rpm e taxa de aeração de 04 vvm Determine a Necessidade de Potência P para um sistema não aerado b Necessidade de Potência Pg para um sistema aerado c Valor de KLa Pg0706 P2NDi 3 Fg056 045 KLa00635 Pg VL 095 Vs 067