Transcript Agitação e mistura

Agitação e mistura
• Revisão
sobre agitação
• Exercícios
AGITAÇÃO E MISTURA
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
Filtração (L-S)
Centrifugação
(L-S)
Sedimentação
(L-S)
Separação
pneumática
(G-S)
Prensagem
Peneiragem
Moagem
Sólidos
Transporte
Mecânico de
sólidos
Fluidização
Suspensão de
sólidos em
líquidos
(agitação)
Misturadores de
sólidos
AGITAÇÃO E MISTURA
Finalidade:
 Mistura de fluidos
 Transferência de calor
 Transferência de massa
 Facilitar reação química
AGITAÇÃO E MISTURA
W = Potência consumida
Equipamento utilizado:
N= número de rotações
Hl = Altura do líquido
4 defletores igualmente
espaçados
Wb = espessura do defletor
Wb
Defletores tão finos
como possível
DT ou T= diâmetro do tanque
Di = diâmetro do impulsor
Hi = altura do impulsor
W = largura do impulsor
L = comprimento do impulsor
Hi
Elevação
Plano
Impulsor tipo turbina
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Impulsores :
 Pás
 Turbinas de pás e disco
 Hélices
 Âncoras
 Espirais duplas
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 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
Turbina de pás inclinadas:
Linhas de escoamento e turbulência
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Adimensionais:
 Reynolds
Re  N D / 
 Número de Potência
 Número de Froude
2
i
Po  W / N 3 Di5
Fr  N Di / g
2
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.
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
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.
dC L
*
 k L a (C L  C L )
dt
(1)
AGITAÇÃO E MISTURA
dC L
*
 k L a (C L  C L )
dt
(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.
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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 %.
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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:
t
 1  e( )
*
C
tp
Cp
(2)
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c  cp   p (
*
dCp
dt
)
C* = concentração de oxigênio na amostra 100% saturada;
Cp = concentração de oxigênio medido pelo sensor no tempo “t”
 p = 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:
Cp
C
*
 1  e(
t
p
)
(3)
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Linearizando (3), vem:
ln(1 
Cp
1
C
p
)(
*
t)
(4)
A magnitude de  p depende da velocidade do líquido e da estabilidade e
durabilidade do sensor;

Portanto se a uma
p 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.
p
AGITAÇÃO E MISTURA
Determinação do kLa por regressão linear
A equação (1):
dC L
*
 k L a (C L  C L )
dt
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
CO 2

CO* 2
dCO2
C  CO2
*
O2
t
 k L a  dt
(5)
tO
(6)
ln
C  CO2
*
O2
*
O2
C C
o
O2
  K L a(t  to )
AGITAÇÃO E MISTURA
A equação (6), resulta numa equação linear em que o valor de KLa é determinado pela
inclinação da reta:
ln
CO* 2  CO2
C C
*
O2
o
O2
  K L a(t  to )
(6)
AGITAÇÃO E MISTURA
Exemplo A
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
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.
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.
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
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Exemplo B
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.
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
AGITAÇÃO E MISTURA
A Figura , apresenta as equações obtidas ao realizar as
regressões dos dados experimentais e ao combinar os resultados.
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. UAMIztapalapa ∗[email protected]