Un nuevo enfoque simple para la ampliacin de los tanques agitados aireadosEZina K.Nauhaa,ozzi Visurib, RaisaVermasVuorib, Ville AZopaeusRESUMENLa ampliacin de los tanques agitados a muy gran tamao es un reto porque las mediciones y correlaciones se desarrollan principalmente para aparatos de pequea escala.Este trabajo presenta la hidrodinmica bsicos de tanques agitados de dos fases.La hidrodinmica en reactores a gran escala se demuestra que son principalmente una funcin de la velocidad superficial del gas en el sistema.Por esta razn ampliacin manteniendo el superficial constante la velocidad del gas que se sugiere en comparacin con la escala de seguimiento por aireacin volumtrica constante por volumen (vvm).Se muestra que para lograr la transferencia de masa adecuada, a gran escala agit tanques, especialmente biorreactores, deben operar principalmente en el rgimen heterogneo y, por tanto, las correlaciones desarrolladas en pequea escala y rgimen homogneo no son directamente aplicables para la ampliacin.Se presentan y muestran a seguir los valores experimentales Nuevas formas simples para predecir la acumulacin de gas, rea interfacial y la transferencia de masa en tanques agitados.El modelo requiere muy pocos datos como base y por lo tanto se puede utilizar en las etapas iniciales de diseo delreactor.@ 2014 El Instituto de Ingenieros Qumicos ~ Publicado por Elsevier B ~ V ~ Todos los derechos reservados ~Palabras clave: Escala-up;La aireacin;La transferencia de masa;Sostener;Depsito de agitacin;Biorreactor

IntroduccinUna gran cantidad de literatura ha sido publicado en los aos anteriores en varios aspectos del diseo de tanque agitado.Tanques agitados han sido ampliamente estudiados para ser utilizado como biorreactores.Sin embargo, la mayor parte de la literatura en las ofertas campo con equipos de pequea escala, con slo unos pocos estudios realizados con reactores de tamao industrial (VIBEL et al., 2000; Noorman, 2011).Debido a financialconcems, los estudios experimentales son por lo general slo es posible en el laboratorio o piloto de escala, donde el volumen de un reactor est al mximo alrededor de 1m3.Grandes biorreactores se utilizan actualmente para la produccin de productos qumicos especiales caros, tales como protenas y azcares especiales.No ha sido necesaria la optimizacin energtica de rendimiento del reactor para estos productos de alto valor.Sin embargo, el inters reciente ha sealado hacia diversos sistemas microbianos como fuentes de combustibles y productos qumicos a granel (Blanch, 2012).Ctrico y cido lctico ya se estn produciendo en gran escala.Con el fin de hacer un bioproceso tales rentable, la escala del reactor tiene que ser cientos de metros cbicos, mientras que el consumo de energa debe ser baja.Aparte de la produccin de levaduras de etanol anaerobias, la mayora de los microbios crecen aerbicamente.Por lo tanto, se requieren grandes cantidades de oxgeno para crecer de manera eficiente.Esto conduce a la utilizacin de aireacin en biorreactores con el fin de suministrar el oxgeno necesario.Para el oxgeno est disponible para el microbio, la transferencia de masa del gas a la fase lquida debe tener lugar.La velocidad de disolucin del oxgeno en el lquido se describe tpicamente por -dc / dt = kLa (CL-C *), donde kL es la tasa de transferencia de masa, A es el rea interfacial disponible para la transferencia de masa, C la concentracin de oxgeno actual en la concentracin del equilibrio lquido y C.Por lo tanto el proceso est limitada por la resistencia de transferencia de masa, lo que disminuye kL,el rea interfacial as como la concentracin de saturacin.La transferencia de masa se encuentra a menudo para limitar la productividad de los sistemas de biorreactores (Garca-Ochoa y Gmez, 2009).Un tanque agitado es a menudo el sistema de eleccin de los biorreactores.Adicin de una segunda fase al reactor complica la hidrodinmica del sistema (Moilanen et al., 2006).\ Vhen una sola fase est presente, el fluido ahora en el reactor es inducida por los impulsores.El flujo dentro de estos sistemas es relativamente fcil de predecir.Una vez que se introduce la aireacin, el flujo de gas impide el efecto de los impulsores y las burbujas s mismos alterar el campo de flujo.Las condiciones ahora dentro de un reactor de tanque agitado de dos fases pueden dividirse en homognea y heterognea (Gezork et al., 2000, 2001).Estos regmenes tambin han sido identificados por columnas de burbujas (Kantarci et al., 2005; Yang et al., 2010).El campo ahora en un tanque agitado se considera homognea cuando se define por la mezcla heterognea y, cuando el flujo de gas define el campo de flujo.Se muestra en este artculo, que a pesar de tanques agitados se utilizan generalmente, el equipo a gran escala es generalmente operado en el rgimen heterogneo.Inundaciones impulsor est estrechamente relacionada con la transicin del rgimen ahora de ser homognea a heterognea.Las inundaciones se definen como un estado cuando el impulsor no se propaga horizontalmente gas, pero hay un flush axial de gas a travs del plano del impulsor (Warmoeskerken y Smith, 1985).La transicin a la inundacin es una funcin de la rotacin del impulsor y la velocidad de aireacin.Cuando se inunda el impulsor, el gas no se distribuye de manera eficiente en toda la seccin transversal del vaso, zonas muertas se crean y la transferencia de masa no es eficiente Sin embargo, la transicin a las inundaciones no es la misma que la transicin al campo de flujo heterogneo (Gezork et al., 2000).El inicio de campo de flujo heterogneo puede tener lugar incluso cuando el impulsor no se inunda a alta tasa de aireacin y agitacin.Sin embargo, las inundaciones del impulsor parece tolead a un campo de flujo heterogneo incluso a tasas de aireacin relativelylow.El inicio de las inundaciones se puede estimar mediante la correlacin del nmero de Froude con la relacin del impulsor con el radio del tanque (Warmoeskerken y Smith, 1985) o por un modelo mecanicista por Paglianti (2002).Las inundaciones son un fenmeno no deseado en tanques agitados.Nienow (1998) presenta un amplio debate sobre el uso de turbinas Rushton y otros impulsores de flujo radial, junto con el tema de las inundaciones.Existen varias correlaciones para la prediccin de inundaciones impulsor para turbinas Rushton.Sin embargo, incluso con la posibilidad de predecir las inundaciones y por lo tanto evitar esta circunstancia, el uso de turbinas Rushton en escala industrial es problemtica.La extensa prdida de potencia exhibida por turbinas Rushton en condiciones de aireacin ha recibido mucha discusin y existir correlaciones para predecir la potencia de entrada gaseada.La gran diferencia en la potencia de entrada gaseados lleva a situaciones en motores de agitacin deben ser diseados para velocidades variables.Up-bombeo impulsores de flujo axial son vistos como una alternativa.Ellos exhiben muy buena capacidad de dispersin, muy pequeas prdidas de potencia debido a la aireacin y son menos propensos a inundar a alta aireacin (Nienow, 1998).El estado de ampliacin y diseo de grandes biorreactores es en este momento, incluso con la investigacin existente, basada principalmente en las correlaciones, las mejores prcticas y Mies de pulgar (Noorman, 2011; Garca-Ochoa y Gmez, 2009; Humphrey, 1998; Takors, 2012; Junker, 2004;. Posch et al, 2013).Biorreactores son a menudo optimizados escala inlaboratory.Tradicionalmente ampliacin ha confiado en gradual aumento de la escala de los experimentos de laboratorio a escala de banco (1-lol), banco a escala piloto {50-300 l) y, finalmente, a la escala de produccin.El principal criterio para la ampliacin de los biorreactores es la tasa de transferencia de oxgeno (OTR), que est optimizado a todas las escalas.Una relacin de ampliacin de las 01:10 es tpico.Para la escala de hasta 100 m3,esto significara una planta piloto de 10 m3sera necesario Esta es, por supuesto, se utilizan coeficientes de escalado no es prctico, por lo que grandes.Cuatro enfoques diferentes para ampliacin progresiva son generalmente reconocidos (Garca-Ochoa y Gmez, 2009): mtodos fundamentales, mtodos semi-fundamentales, anlisis dimensional y mies de pulgar.Mtodos fundamentales consisten en el modelado basado en la fsica de los sistemas de biorreactores.Modelado nos da la posibilidad de predecir el comportamiento de los equipos de gran escala sin la necesidad absoluta de las mediciones en esas escalas.Uno de estos mtodos de modelado es Computational Fluid Dynamics, CFD.Muchos enfoques a escala-up a travs de este tipo de modelos se han propuesto (jerome et al, 2013;.. Vrbel et al, 2001; Laakkonen et al., 2006).Sin embargo, CFD tiene sus limitaciones.Interacciones interfase complejos necesitan ser modelados.Para los grandes vasos, se requieren muy grandes redes computacionales, que conducen a tiempos de clculo largos.La carga computacional adicional causado por la adicin de la fase de gas y de los fenmenos de transferencia de masa es grande.Ampliacin de la base de clculos fundamentales es laborioso y requiere gran experiencia.Por esta razn, los mtodos ms simples se utilizan a menudo.Semi-mtodos fundamentales incluyen los clculos de las ecuaciones fundamentales simplificados que conducen a escala de dependencia.Escala-up por anlisis dimensional requiere mantener grupos adimensionales tales como bombeo o nmeros de Reynolds constante.Sin embargo, mantener todos los grupos adimensionales constante no es posible y decisiones tienen que hacerse para definir los grupos ms importantes.Muy a menudo, se utilizan reglas de oro para la ampliacin.Diferentes fuentes darn diferentes reglas de oro para la ampliacin de los biorreactores.Un mtodo de escalamiento muy a menudo referenciada es la de mantener el volumen por volumen de aireacin (vvm) y el consumo de energa por unidad de volumen, P / V, constante (Amanullah et al., 2004).Conservacin de la vvm constante es un enfoque estequiomtrica, como se conserva la cantidad de oxgeno disponible en el reactor.Sin embargo, la ampliacin de acuerdo con vvm constante es bastante cuestionable desde el punto de vista de la hidrodinmica.Las razones de esto junto con los clculos simples para determinar el estado hidrodinmica del reactor ser presentado en este artculo.Se muestra que el cambio de escala tiene una profunda influencia en la dinmica de fluidos en recipientes de mezcla y que superficialgas constantes de velocidad con P / V es un criterio ms conveniente para ampliacin de los biorreactores.Escala en marcha por la preservacin de un coeficiente de transferencia de masa volumtrica constante, kLa, a menudo se hace referencia (Arnanullah et al .., 2004).Este tipo de ampliacin se basa en correlaciones empricas para el coeficiente de transferencia de masa.Las correlaciones se pueden dividir en al dimensional y adimensional.Los primeros son a menudo funciones de velocidad superficial de gas, vs, o vvm, velocidad de agitacin, N, o disipacin de energa por unidad de volumen, P / V, y laviscosidad,.Las correlaciones tanto, a menudo toman la forma dela ecuacin siguiente

donde Cs es una constante que depende de la geometra del sistema y el impulsor utilizado.Los exponentes , , y y tambin varan entre los sistemas que se resumen por Garca-Ochoa y Gmez (2009).Xie et al.(2014) muestran cmo correlaciones literatura armarios no pueden ser utilizados para diferentes configuraciones, ya que dar lugar a diversas desviaciones estndar 10-55%, incluso sin una gran diferencia en la escala del aparato.Las ltimas correlaciones se derivan de nmeros adimensionales como el Reynolds, Weber y nmeros de Froude (Garca-Ochoa y Gmez, 2009).stos toman diversas formas y tambin incluyen sistema exponentes dependientes.El uso de exponentes hace que estos sistema de correlaciones y dependiente de la escala (Arnanullah et al., 2004; Gabelle et al., 2011).Muy poca evidencia para su aplicacin en grandes reactores se ha publicado (Smith, 2006).Un enfoque ms fenomenolgico es estimar el coeficiente de transferencia de masa separado de la zona interfacial para transferencia de masa {Garcia-Ochoa y Gmez, 2009).La metodologa de la escala-up introducido en este artculo utiliza este enfoque para el clculo de kLa.El mtodo presentado en este trabajo no requiere ningn parmetro o exponentes dependientes de la geometra y por lo tanto debe ser aplicable sobre una escala ms amplia de sistemas.Para los clculos presentados en este documento, un muy importante valor inicial es la velocidad mxima de burbujas.Investigaciones recientes se han concentrado en la medicin y modelizacin de velocidades terminales.Las correlaciones para el clculo de las velocidades terminales como una funcin de las propiedades de lquidos y tamao de las burbujas se han utilizado para un nmero de aos (Fan et al., 1990).Velocidades terminales en clculos CFD son evaluados en base a la fuerza de arrastre.Esfuerzos computacionales actuales con Simulacin Numrica Directa y el mtodo de Lattice Boltzmann han arrojado nueva visin de la fsica que gobierna surgimiento de burbujas y la interaccin de burbuja, burbuja (Shu y Yang, 2013; Anwar, 2013).Por ejemplo, los tensioactivos tienden a ralentizar burbujas (Takagi y Matsumoto, 2011).El aumento de la turbulencia tambin lleva a una disminucin de la velocidad terminal (Ghatage et al., 2013).El aumento de la viscosidad y tensin superficial tambin conducen a velocidades terminales ms pequeos (Anwar, 2013).Sin embargo, de acuerdo con las mediciones byAmimia et al.(2013), parece que las diferencias en la velocidad terminal debido a la viscosidad son muy pequeas en las burbujas de ms de 100 ml (dimetro nominal de 3 mm).Con el conocimiento actual, es posible estimar la velocidad terminal de burbujas en un sistema.La investigacin en el campo de la mezcla de dos fases se lleva a cabo principalmente a escala de laboratorio con bajas fracciones de volumen de fase dispersa (Gezork et al., 2000).Este artculo le mostrar por qu estas medidas no son directamente aplicables para la ampliacin de tamao muy grande y, adems, hacen hincapi en cmo las medidas de escala-down importantes con velocidades de avance elevados de la gasolina son para el diseo de grandes reactores (Noorman, 201 1).Las mediciones de avance de gas de Gezork et al.(2000, 2001) fueron los nicos que se encuentran en la literatura que verdaderamente a arrojar luz sobre el funcionamiento de los reactores con altas tasas de aireacin.En este trabajo, se introduce un enfoque fsico simple de ampliacin de los biorreactores de tanque agitado.En primer lugar, la fsica de aireacin de los tanques de mezcla de gran escala son revisados a travs de figuras informativos.Adems, las ecuaciones que se basan en la fsica bsica se utilizan para estimar la hidrodinmica de los reactores en pequea y gran escala.De estos, se introduce un modelo para la fase de retencin de gas en los regmenes homogneos y heterogneos.El mtodo se extiende a la estimacin de kLa en el rgimen heterogneo.Los resultados de la simple enfoque se comparan con las mediciones de la literatura para mostrar la aplicabilidad de los modelos.2. Fsica de tanques de mezclado a gran escalaEl punto de partida para el diseo de un nuevo proceso que implica un biorreactor es por lo general una gran cantidad de trabajo experimental realizado en el laboratorio.Este trabajo se realiza generalmente con el fin de encontrar las condiciones ideales para el crecimiento microbiano.Comnmente, la velocidad de aireacin se mantiene a Ivvm, o tan alto como sea posible teniendo en cuenta que la alta aireacin a menudo conduce a la formacin de espuma.Los agentes antiespumantes tambin se utilizan a menudo en grandes cantidades.Una entrada de alta potencia por volumen de la mezcla es tambin comn.Los resultados en estas circunstancias son a menudo muy bueno, altas concentraciones de biomasa y de productos se consiguen.Las directrices de diseo para ampliacin de tamao muy grande puede ser mantener la aireacin alta, baje la potencia de entrada de mezcla a partir del valor de laboratorio, manteniendo la tasa de transferencia de oxgeno (OTR) en algn tipo de consumo de oxgeno mximo definido (OUR) del microbio .Existen numerosas diferentes correlaciones de transferencia de masa y de absorcin de energa, pero antes de que estos es importante tener en cuenta la hidrodinmica efectivas de ampliacin de un tanque agitado aireado.En las siguientes secciones, una mirada ms cercana se toma en la fsica de los tanques de mezcla.La diferencia entre la velocidad superficial del gas y la tasa de aireacin (vvm) se analiza junto con el efecto de la presin hidrosttica.El balance de masa de oxgeno tambin se presenta para la definicin de una tasa de aireacin mnimo.2.1.VeZocity gas Sper] iciaZ y vvm en scaZe-upUna variable muy importante para calcular el fin de iniciar la consideracin de la hidrodinmica de un biorreactor es la velocidad superficial del gas.Velocidad superficial del gas en un reactor es la velocidad de la fase de gas, en una situacin en la que es la nica fase presente en el reactor.Se calcula dividiendo el volumen ahora por el rea de seccin transversal del reactor.

Aqu Q es la alimentacin volumen de fase gaseosa en el reactor (m3s-1)y A el rea de la seccin transversal (m3) de un reactor cilndrico con T el dimetro de la vasija (m).Una especificacin de diseo comn para tanques de mezclado, presentado por Gezork et al.(2000), es que la velocidad superficial del gas debe mantenerse por debajo de los Utrans valor transicin 0.03ms-1a fin de lograr un rgimen de flujo homogneo.El valor es, por supuesto, una funcin del sistema a la mano como se comenta por Gezork et al.(2000).Gezork et al.(2000) definen la transicin a flujo heterogneo a tener lugar cuando las burbujas sobre el tamao de 30 mm comienzan a aparecer en el sistema.La transicin se ve como una funcin de la velocidad terminal de las burbujas y estima que ocurre antes para velocidades terminales inferiores.Por lo tanto, como se discuti en la introduccin, las propiedades fsicas de los sistemas tales como la viscosidad, la presencia de tensioactivos y la tensin superficial pueden afectar a este valor de transicin.Nienow (1998) informa de que en los sistemas de alta viscosidad, la aparicin de grandes burbujas tiene lugar muy temprano, antes de que se inform de inundaciones del impulsor.Esto implica que la velocidad superficial del gas de transicin es de hecho menor para los sistemas viscosos.La transicin tambin se ve afectada por la velocidad del lquido, que durante una operacin por lotes puede ser estimada a ser cero.Por lo tanto para los reactores continuos, si hay flujo de lquido significativo arriba o hacia abajo, la velocidad superficial del gas de transicin puede ser aumentado o disminuido, respectivamente.Las mediciones de Gezork et al.(2000) se realizaron con dos impulsores radialmente de bombeo, a saber Rushton y SCABA impulsores.Un cambio en el campo de lquido ahora, debido a un impulsor de bombeo axialmente puede influir en la velocidad superficial del gas de transicin Esto es slo si la velocidad del lquido no se puede suponer que es cero, como cuando no est completa la distribucin radial del gas.Nienow (1998) informa que al alza de bombeo impulsores axiales son muy buenos en la distribucin de la fase gaseosa.La inundacin es tambin menos probable para estas configuraciones, por lo que la asuncin de la velocidad del lquido cero debe sostener y de la configuracin del impulsor no debe afectar en gran medida la velocidad del gas superficial de transicin como Gezork et al.(2000) originalmente sugerida.Para columnas de burbujas Krishna et al.(1991) sugirieron que Vtrans es simplemente una funcin de la densidad de gas y alcanza un valor ms alto en mayor densidad.Para presiones ambientales y propsitos de mies y clculos de escalado generales el valor de 0,03 ms-1 es aceptable.Cuando el valor est por encima de nosotros Vtrans, el flujo es heterognea, lo que significa que el campo de flujo ya no est controlado por la mezcla, sino tambin por el aumento de las burbujas y por lo tanto el flujo de la fase de gas.En este rgimen, se espera que las inundaciones de impulsores y la transferencia de masa no puede aumentar con intensidad de mezclado adicional, como sera de esperar en el rgimen homogneo (Gezork et al., 2000).En el equipo a pequea escala, las velocidades superficiales del gas suelen ser bastante baja.Sin embargo, con el aumento de la escala, la velocidad superficial del gas alcanza fcilmente los valores superiores a 0.03 MS-1.La razn de esto se presenta a continuacin.

Fig. 1 - velocidad superficial del gas en la parte superior de un reactor como una funcin del tamao para diferentes geometras. Los valores se calculan para una velocidad de aireacin de 1 vvm (NTP). Para mayor claridad se muestra la velocidad superficial del gas transicin de 0,03 ms-1.

Escala-up con una geometra similar con una tasa de aireacin de 1 vvm conduce a condiciones de flujo heterogneos.Con el fin de ilustrar el efecto de escala, Fig.1 muestra la velocidad superficial del gas, calculado por la ecuacin.(2), en la parte superior del reactor como una funcin del tamao del reactor.Los sistemas de ejemplo son los tanques de fondo plano en el que la altura del tanque, H, son mltiplos de los dimetros de tanques, T. En biorreactores de mayor tamao, las proporciones de H / T por encima de 3 son comunes, por lo que H / T ratios, k, de 1, 2, 3 y 4 se muestran.Es evidente que en un vvm constante la velocidad superficial del gas cambia en gran medida con la escala.Esta es la razn por la cual la aireacin en trminos de vvm no debe utilizarse para aumento de escala.Las condiciones hidrodinmicas en el reactor no permanecen constantes con un conjunto vvm.La dependencia de la velocidad superficial en la escala de un tanque de mezcla se ha informado anteriormente (Humphrey, 1998;. Arnanullah et al, 2004), pero no se han discutido las consecuencias para aumento de escala.Si una aireacin de 1 vvm se utiliza en un biorreactor de tamao industrial, el reactor no funcionar de la misma manera como un reactor de laboratorio con la misma tasa de aireacin.Un cambio de rgimen de flujo homogneo a heterognea se producir cuando se aumenta la escala.Un volumen mximo por velocidad de aireacin volumen (QTrans) para el flujo homogneo puede calcularse a partir de la geometra, la definicin de velocidad superficial del gas y por el ajuste Utrans = 0,03 ms-1.El volumen del depsito se calcula

Que resolvi de T es de

Utilizando esta definicin de T, Q = QTransV y la organizacin, la definicin de velocidad superficial del gas (2) nos da el volumen por volumen tasa de aireacin como una funcin del volumen del recipiente.

Fig. 2. Las tasas mximas calculadas de aireacin (VVM) de reactores de diferentes relaciones de altura como una funcin del tamao del buque. Observe la escala logartmica.donde la dimensin de QTrans es Is-1, pero se convierte fcilmente a la vvm ms comnmente utilizado por conversin de la unidad.Suponiendo una regla de diseo de nosotros