Agitação e mistura

1. Agitação e mistura • Revisão sobre agitação • Exercícios

2. Material/ objetivo Transporte Mistura Separação Modificação de tamanho Fluidos: líquidos e gases Bombeamento Ventilação Compressão Agitação e Misturas Centrifugação(L-L) Atomização Fluidos e sólidos Transporte Pneumático Transporte hidráulico Perda 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

3. AGITAÇÃO E MISTURA • Finalidade: • Mistura de fluidos • Transferência de calor • Transferência de massa • Facilitar reação química

4. AGITAÇÃO E MISTURA = 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 Equipamento utilizado: Impulsor tipo turbina

5. AGITAÇÃO E MISTURA • Impulsores : • Pás • Turbinas de pás e disco • Hélices • Âncoras • Espirais duplas

6. AGITAÇÃO E MISTURA • Impulsores com alto cisalhamento (High Speed Disperser Blades): São projetadas para uso em dispersão, dissolução, emulsificação de materiais sólidos/líquidos/gasosos. Produz alto cisalhamento, bombeamento e redução de tamanhos de aglomerados

7. Turbina de pás inclinadas: Linhas de escoamento e turbulência

8. AGITAÇÃO E MISTURA Adimensionais: • Reynolds • Número de Potência • Número de Froude

9. AGITAÇÃO E MISTURA Exemplo Transferencia de masa: 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 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.

10. AGITAÇÃO E MISTURA Transferencia de masa gas-líquido 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 fase gasosa para a fase líquida para manter o metabolismo oxidativo das células é decisiva. Coeficiente de transferência de oxıgênio A capacidade de absorção de oxıgênio de un biorreator agitado mecanicamente é representado pelo coeficiente volumétrico de transferência de masa kLa; O sensor de oxıgênio dissolvido é utilizado frequentemente para medir o kLa; Primeiramente, o biorreator é burbulhado com nitrogênio e no tempo igual a zero, inicia o borbulhamento com ar; 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 fase líıquida e o coeficiente global de transferencia de massa de gás

11. AGITAÇÃO E MISTURA Determinação do coeficiente volumetrico de transferencia de oxıgênio: Diferentes metodos são utilizados para medir o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio, kLa. a) Método direto b) Método dinâmico c) Método sulfito d) Método com peróxido de hidrogênio 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 quanto na ausência de reação. (1)

12. AGITAÇÃO E MISTURA (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.

13. AGITAÇÃO E MISTURA Método dinâmico (Gas-out gas-in): Calibrar e medir kLa Para 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 %.

14. AGITAÇÃO E MISTURA 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: (2)

15. AGITAÇÃO E MISTURA 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: (3)

16. AGITAÇÃO E MISTURA (4) 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 determinações entretanto, se o kLa−1 é muitoo maior que esta preocupação não é necessária.

17. AGITAÇÃO E MISTURA Determinação 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 = CO20 a t = t0 (5) (6)

18. AGITAÇÃO E MISTURA A equação (6), resulta numa equação linear em que o valor de KLa é determinado pela inclinação da reta: (6)

19. AGITAÇÃO E MISTURA Exemplo A

20. AGITAÇÃO E MISTURA A 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

21. AGITAÇÃO E MISTURA A 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.

22. AGITAÇÃO E MISTURA A 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.

23. AGITAÇÃO E MISTURA A 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

24. AGITAÇÃO E MISTURA Exemplo B

25. AGITAÇÃO E MISTURA Na 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.

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

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

28. AGITAÇÃO E MISTURA 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 ∗sho@xanum.uam.mx