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Garca-Corts, Daniel

Contribucin al estudio de la hidrodinmica y la transferencia de masa en reactores tipo tanque agitado

mediante un enfoque global y local en sistemas gas-lquido

Revista CENIC. Ciencias Qumicas, vol. 35, nm. 2, mayo-agosto, 2004, pp. 111-112

Centro Nacional de Investigaciones Cientficas

La Habana, Cuba

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Revista CENIC. Ciencias Qumicas,

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juan.araujo@cnic.edu.cu

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Revista CENIC Ciencias Qumicas, Vol. 35, No. 2, 2004.

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CONTRIBUCION AL ESTUDIO DE LA HIDRODINAMICA Y LA TRANSFERENCIADE MASA EN REACTORES TIPO TANQUE AGITADO MEDIANTE UN ENFOQUE GLOBAL

Y LOCAL EN SISTEMAS GAS-LIQUIDOIng. Daniel Garca-Corts, Investigador Agregado.

Dpto. de Desarrollo Tecnolgico, Centro de Qumica Farmacutica, Calle 200 y 21, Apartado Postal 16042, Atabey,Playa, Ciudad de La Habana, Cuba. E-mail: daniel.garcia@infomed.sld.cu.

TRABAJO PRESENTADO EN OPCION AL GRADO CIENTIFICO DE DOCTOR EN CIENCIAS TECNICAS.

RESEA

27 de agosto de 2003.

Los tanques agitados han sido utilizados histricamente en la industria biotecnolgica, en la alimenticia y en la qumica. En Cubaconstituye el tipo de reactor utilizado por excelencia para la mayora de las producciones, tanto biotecnolgicas como qumicas, deah la importancia que tiene continuar profundizando en las investigaciones bsicas sobre este tipo de reactor.

La funcin principal de la agitacin es acelerar los procesos de transferencia de calor y de masa, lo cual se consigue mediante laintroduccin de energa en el volumen del fluido por medio de la rotacin del impelente y la conversin de esta energa en movi-miento hidrodinmico. Es por ello que la comprensin detallada de la hidrodinmica (los campos de velocidades, la turbulencia, ladistribucin de la velocidad de disipacin de energa cintica turbulenta, etc.) es esencial para la sntesis de los procesos a llevar acabo en los tanques agitados. Por ejemplo, los estudios de la disipacin de la energa turbulenta en los tanques agitados, especial-mente en la regin del impelente y en la regin de descarga de este ltimo, son necesarios para avanzar en la comprensin defenmenos de mezclado como la formacin de dispersiones de burbujas y, por tanto, en la sntesis de procesos de fermentacinaerobia y de reacciones gas-lquido, entre otros.

La caracterizacin de los campos de flujo generados por los impelentes en los tanques agitados tiene una gran relevancia, ya quepermite identificar el efecto de varios parmetros sobre el desempeo de estos en trminos del tiempo de mezclado, o rendimientoy selectividad de los esquemas de reaccin, y en particular: a) si una pieza especfica del equipo (el impelente, o algn serpentn decalentamiento o enfriamiento) afecta el proceso, si es su tamao o su forma, o en el caso del agitador su velocidad de agitacin; b)en qu extensin el volumen de la vasija es utilizado efectivamente o si alguna zona se comporta como una zona muerta. De ah queun mejor conocimiento de la dinmica del fluido en el reactor permite mejorar los resultados de un proceso en trminos de unareduccin de los costos de operacin o aumentar la productividad y la calidad del producto con el mismo gasto energtico.

En los ltimos aos, las investigaciones relacionadas con la turbulencia en tanques agitados han estado dirigidas hacia dosobjetivos: el primero, la caracterizacin de la turbulencia, y el segundo, el impacto de la turbulencia sobre los resultados de losprocesos. De esta forma, se puede encontrar que variables que dependen de la energa turbulenta han sido relacionadas con el daoa las clulas, la dispersin de gas, el tiempo de mezclado, la ruptura de gotas, la cristalizacin y la floculacin y coagulacin. Dadala interconexin existente entre la turbulencia y los resultados de estos procesos, resulta evidente la importancia de la caracterizacinde la turbulencia en los tanques agitados.

Los progresos realizados en la caracterizacin de los campos de flujo en tanques agitados han conducido a la aplicacin demodelos de procesos ms racionales y a reglas de escalado con ms sentido fsico que lo que era posible previamente. Esto, a su vez,ha conducido a mejores predicciones de los resultados de los procesos para una geometra del tanque dada y ha elevado lasposibilidades de xito en la seleccin del impelente, en la especificacin de la geometra del tanque y en los escalados de losprocesos.

No obstante, en la actualidad, continan los esfuerzos dedicados a la modelacin matemtica de la hidrodinmica en lostanques agitados debido a la necesidad de lograr una mayor comprensin de los procesos que tienen lugar en estos. Para ello, serequieren modelos que logren describir fenmenos locales y, que a su vez, sean lo suficientemente simples para no dar lugar a unesfuerzo de cmputo excesivo como por ejemplo, el modelo de la red de zonas. Estos modelos son de gran importancia para laevaluacin de la interaccin entre el flujo, la turbulencia y las reacciones qumicas y bioqumicas durante la simulacin de tanquesagitados parcialmente segregados donde la formacin de perfiles de concentracin es una consecuencia de la interaccin entre elmezclado, la transferencia de masa y la cintica de las reacciones que tienen lugar en ellos. Un ejemplo de este tipo de proceso loconstituyen las fermentaciones semi-continuas en tanques agitados industriales donde es posible encontrar perfiles de concentra-cin de nutrientes y de oxgeno en los cuales la reactividad del sistema depende del acople de los campos segregados de nutrientesy oxgeno, con la cintica compleja de las biorreacciones, y donde la calidad del mezclado puede influir en la selectividad del procesoy, por ende, en el rendimiento del producto de inters.

Por otra parte, en la industria biotecnolgica, los procesos aerobios son llevados a cabo fundamentalmente en medios acuosos,con sales inicas, donde la transferencia de oxgeno est limitada debido a su baja solubilidad, es por ello que la velocidad detransferencia de oxgeno puede constituir una etapa limitante para los bioprocesos. Por tanto, constituye un objetivo de los ingenie-ros modificar los parmetros geomtricos y de operacin para mejorar el proceso de transferencia de masa gas lquido. En estecaso, si se logra mejorar la velocidad de transferencia modificando los parmetros geomtricos, se puede obtener la misma veloci-dad de transferencia a una menor velocidad de agitacin y como consecuencia, disminuir el consumo de potencia en los sistemas deagitacin, lo cual conduce tambin a un ahorro en los costos de produccin. Los consumos de potencia en los tanques agitados sonelevados (tpicamente de 1 a 5 kW/m3) y por ello, cualquier ahorro de energa es bien recibido. Esto es especialmente vlido para las

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fermentaciones, las cuales frecuentemente duran varios das. Por ejemplo, un fermentador tpico de 10 m3 con un tiempo deresidencia de 6 d consume alrededor de 3 000 kW h por lote.

A pesar de que la geometra estndar en tanques agitados con turbinas Rushton ha sido ampliamente estudiada, existe una grandiversidad de posibles geometras a implementar en los reactores tipo tanque agitado, teniendo en cuenta que la geometra ptimadel reactor para realizar un proceso determinado depende del proceso que se va a llevar a cabo. Como consecuencia de esto, todavapersiste un campo de investigacin bsica y aplicada relacionada con los tanques agitados del cual podran surgir diseos alternati-vos, ms eficientes econmicamente para los diferentes procesos a introducir en la industria, partiendo del conocimiento bsico dela hidrodinmica y la transferencia de masa en los sistemas de agitacin.

Para la realizacin de esta tesis sirvi de motivacin la presencia en biorreactores comerciales de sistemas de agitacin como laturbina de disco de cuatro paletas planas cuadradas y sistemas de doble turbina de disco con seis paletas planas cuadradas de loscuales se encuentra muy poca informacin en la bibliografa especializada sobre agitacin y mezclado. Teniendo como premisa estarealidad, este trabajo constituye una contribucin al estudio de la hidrodinmica y la transferencia de masa en tanques agitados. Enella se exponen los resultados de las investigaciones realizadas mediante un enfoque global y local de varias configuraciones geomtricasde biorreactores comerciales con sistemas de agitacin monofsicos y bifsicos, y se define la influencia que estas configuracionesgeomtricas ejercen sobre la hidrodinmica y la transferencia de masa en estos biorreactores.

La tesis est estructurada en cinco captulos, adems de Introduccin, Conclusiones, Recomendaciones, Bibliografa y Agradeci-mientos. Consta de 166 pginas, 41 figuras y 21 tablas. Se refieren 136 trabajos, de los que ms del 70 % corresponde a la ltimadcada y ms del 90 % a los ltimos veinte aos. En los anexos se aporta el fundamento terico de la velocimetra lser de efectorDoppler, varias tablas de resultados y dos programas utilizados.

La introduccin aborda los antecedentes, las hiptesis y los objetivos del trabajo. El primer captulo corresponde a la revisinbibliogrfica y presenta un conjunto de conceptos bsicos sobre hidrodinmica, transferencia de masa, turbulencia y modelacinmatemtica de la dinmica de fluidos en tanques agitados, as como un anlisis riguroso de los avances logrados en el estudio decada uno de estos aspectos. En el segundo captulo, se reporta la caracterizacin del flujo inducido por una turbina tipo disco concuatro paletas cuadradas planas en un biorreactor tipo tanque agitado usando un velocmetro lser de efecto Doppler (LDV) ensistemas monofsico (lquido) y bifsico (gas-lquido), as como a la obtencin de los parmetros adimensionales que lo caracterizan.Adems, se analiza la influencia del incremento del rea adimensional de cada paleta y el nmero de paletas sobre las diferentescaractersticas hidrodinmicas del flujo inducido por el impelente. El tercero presenta y discute los resultados de la caracterizacinhidrodinmica con un LDV de un biorreactor con el fondo semiesfrico, con cuatro deflectores con claridad con respecto al fondo ya su pared, equipado con dos turbinas de disco con seis paletas cuadradas planas de iguales dimensiones en un rgimen de flujosmezclados en un sistema monofsico y bifsico, as como con dos turbinas de disco con seis paletas cuadradas planas de diferentesdimensiones en un rgimen de flujos mezclados en un sistema bifsico. En el cuarto captulo se presenta la evaluacin realizada enel biorreactor anterior de la influencia de la claridad entre las dos turbinas, el dimetro de la turbina superior, el dimetro del anillodel difusor y la posicin de este ltimo con respecto al impelente inferior sobre el consumo de potencia, el coeficiente global detransferencia de oxgeno y la eficiencia global de transferencia de oxgeno. El quinto captulo est dedicado a la implementacin delmodelo de la red de zonas para modelar el flujo de lquido dentro de los biorreactores y determinar, utilizando las medicionesrealizadas con el LDV, el parmetro del modelo coeficiente de intercambio turbulento para los sistemas de agitacin caracteriza-dos.

Entre los nuevos aportes al conocimiento cientfico del trabajo se encuentra la caracterizacin de la hidrodinmica en un biorreactorcon una turbina de disco con cuatro paletas cuadradas planas con un LDV en un sistema monofsico y bifsico. La demostracin delefecto positivo del aumento del rea adimensional de cada paleta con respecto al incremento del nmero de paletas en las turbinastipo disco con paletas planas sobre el ndice de bombeo, el tiempo de renovacin adimensional y el nmero de descarga de flujo;que esta influencia es similar para la eficiencia energtica y negativo con respecto al nmero de circulacin de flujo y el tiempo decirculacin adimensional. Adems, se propuso un nuevo parmetro para evaluar los sistemas de agitacin denominado ndice deturbulencia, por medio del cual se puede valorar de forma global, la intensidad de la turbulencia en el volumen del reactor fuera delvolumen de revolucin del impelente.

Tambin se reporta, por primera vez, la caracterizacin con un LDV de la hidrodinmica en un biorreactor con el fondo semiesfrico,con cuatro deflectores con claridad con respecto al fondo y a su pared, equipado con dos turbinas de disco con seis paletascuadradas planas de iguales dimensiones en un rgimen de flujos mezclados en un sistema monofsico y bifsico, as como con dosturbinas de disco con seis paletas cuadradas planas de diferentes dimensiones en un rgimen de flujos mezclados en un sistemabifsico. La comparacin de los sistemas bifsicos estudiados demostr que el sistema de agitacin aireacin con dos turbinas dedisco con seis paletas cuadradas planas, donde el impelente superior es de menores dimensiones que el inferior, induce un flujo delquido similar al inducido por el sistema con los dos impelentes de iguales dimensiones con una disminucin del consumo depotencia. Esto tiene una aplicacin prctica importante desde el punto de vista energtico para sistemas bifsicos industriales donderepresente un papel determinante la conveccin.

Por ltimo, se determinaron los coeficientes de intercambio turbulento , caractersticos del modelo de la red de zonas, quegarantizan el error mnimo de las velocidades principales y secundarias para las configuraciones de los tanques agitados estudiadospor comparacin con los datos experimentales obtenidos con el LDV, contribuyendo de esta forma a ampliar el conocimiento sobreel impacto de la geometra de los tanques agitados sobre el valor de dicho coeficiente. Su valor para el modelo de red de zonas condiferentes flujos por lazos obtenido en el sistema de agitacin con la turbina de disco con cuatro paletas planas cuadradas esligeramente superior al reportado para sistemas con una sola turbina Rushton.