Consumo de potencia en fermentadores de 14 litros

Vo1.2 Nos. 5 y 6 6 992

CONSUMO DE ~BTENCIA EN FERMENTADORES DE f 4 LbTROS:

IINlpCIICACIQVES DEL US0 DE TURBIINAS Y ASPERSORES DE AIWE h!0 ESTANDAR

Medo Marlhe& Migeae! Salvador y Enri~ue Gdindo

Departamento de Bioingenieria, Cnstituto de Biotecnologia ,Universidad Nacional Autsinorna de Mbxico,

A.P. 510-3, Cuernavaca, Ma;. 62274

RESUMEN

Se evaluo, en el regimen ttirbulenfo, el suministro de potencia sir; aireaci6n con un fluido Newtonian0 (agua) pare impulsores de turbina de seis paletas planas (tipo Rushton) de cinco dihrnetros diferentes, en un t a n ~ u e agitadc (diimetro = 0.205 rn) soportado par un dinamometro de cojinete neumitico de alta presicion. El tanque fus geomk~tricarnente idPntico a un fermentador comercial de 14 L. Loz nlimeros de potencia (Po) dependen de lp. relacibn $el dihmetro del disco (DJ respecto ai diimstro del impulsar (5). Asimismo, 10s nSmeros de potencia (para un mismo nlirnero de Reynolds) scn menores conforme se increments, el di6metro del impulsor. Cuando se invodujo aire, por medio de tbcnicas fotogriiicas y de video grabacion, se obserraron y registraron las cavidades de aire formadas en las paletas de un impulsor Rushton. Operando a le rnisma velocidad de agitation o aireacibn, se demostr6 que 10s aspersores de anillo de diimetro mayor aI dihmetro del impulsor permiten una mayor aplicaci6n de potencia y evitan la inundaci6n del im~ulsor. Los impulsores con DJD<0.75 tambi6n suministran mas potencia que las turbinas con DJD=0.75. Esto puede tener ventajas en la operation de fermentadores de banco, ya que se podrian lograr mayores coeficientes de !ransferencia de oxigeno, si se comperan con 10s aspersores de orificio y con e! diirnetro "estP.ndar"el disco de las turbinas, a iss mismas condiciones de velocidad de agitaci6n y aireaci6n. -

SUMMARY

The power drawn by Rushtori turbines of iive impeller diameters operating in the turbulent regime, under ungassed conditions and using water, was evaluated in a mixing tank of 0.205 m in diameter. The mixing tank was geometrically identical to a commercial bench-scale fermentor and it was placed over an accurate air bearing dynamometer. Po were lower as the impeller diameter was larger (0.360<DTT<0.632). The lower the ratio of the disc diameter (DJ over the impeller diarneter (D) (0.578<DJD<0.735), the higher Po. When the fluid was aerated, different air cavities could be d5tected by stroboscopic photography and they were associated to the power drop behavior. The use of ring spargars of diameter larger than the impeller diameter and disc diameter smaller than the 'standard' (D,=0.758) allowed to obtain higher power numbers (if compared with the point sparger ancl 'standard"isc, respectively) in a wide range of agitation speeds and gas flow rates. This could lead to advantages in the operation of bench scale fermentors because it can prevent impeller flooding and higher :' oxygen transfer coefficients could be obtained.

Palabras dme: suministro de potencia, mezclado, fermentadores, turbinas Rushton, aspersores de aire.

I/

,/ Debido principalmente a su alta flexibilidad y versatilidad, el tanque agitado 1 I es la configuracion de fermemador que ha sido -y sin duda continuarh siendo- la mas I I

I

3 "73 I

B

. /-

I :.~;iiizada a nivel industrial, de planta piloto y de laboratorio (Royce, 1992). En estos rermentadores, la energia se trasmite a1 fluido principalmente a travbs de 10s impulsores. El consumo de potencia por agitaci6n es uno de 10s parhmetros mas importantes que determinan el comportamiento del sistema biol6gico. Ademds, la energia apiicada' constituye un dato fundamental para correlacionar fenomenos de aransporte y para el escalamiento de procesos fermentativos.

A nivel industrial, fa potencia trasmitida al fluido se puede estimar, con buena orecision, a partir de mediciones de la corriente y del voltaje cons~lmidos por el motor (Brown, 1977; Oosterhuis y Kossen, 1981). Sin embargo, en fermentadores de iabora- Torio o de banco, la cuantificacion precisa de la potencia aplicada al rnedio de cultivo tiene dificultades tecnicas importantes. En fermentadores pequeiios, las perdidas por Zricci6n pueden llegar a ser hasta del 75% del total consumido por el motor (Br~wn, 1977). En tanques pequefios, la cuantificacion precisa de la potencia, suministrada Dor agitacion, requiere de torquimetros (celdas de carga), de preferencia instaladog despuhs de ios sellos y baleros. Actualmente, ningirn equipo de fermentaci6n comer- cia1 de nivel banco cuenta con esta instrumentation, ni aljn como equips accesorio. Con fines de optimizar ias condiciones de operation, una alternativa consiste en ge- nerar datos de suministro de potencia, cuantificada de manera precisa, en tanques de rnezclado de escala de banco (y sin 10s problemas de friccion mencionados) con geometria similar a la de fermentadores.

En la mayoria de las aplicaciones de contact0 gas-liquido, la turbina de seis paletas planas (denominada "Rushton"en honor a1 investigador pionero en esta Area (Rushton et a1 1950a y 1950b) es sin duda el impulsor mas estudiado. Las turbinas Rushton consideradas "estandar" rienen seis paletas pianas rectangulares equidiaan- tes a 60". La longitud de las paletas es 114 del didmetro de la turbina y el ancho de ~ I l a s constituye 115 del diametro del impulsor. El 75% de la longitud de estas paletas $e encuentra incluido dentro del disco del impulsor (figura lb)).

El amplio uso de este imputsor se debe, entre otras razones, a que permite suministrar una elevada cantidad de energia al fluido y a que, por su diseibo (principalmente la presencia del disco) permite realizar una eficiente dispersi6n del gas en el liquido, siendo esto especialmente util en procesos de fermentacibn. Desde luego, como cualquier otro impulsor, la turbina Rushton no es recomendable para todas las aplicaciones. Nienow (1990a, 1992) ha revisado recientemente las ventajas y desventajas de otras geometrias de impulsores, especialmente en procesos de fer- mentacion.

No obstante el abundante trabajo de investigaci6n que se ha realizado con el impulsor Rushton, se siguen estudiando aspectos fundamentales y modificaciones del disefio original. Cone ejemplos se pueden mencionar: et estudio del efecto que tiene el espesor de la lamina y/o placa de metal con que se construyen 10s impufsores y sus implicaciones sobre el escalamiento (Bujalski et a/, 1986 y 1987); la dispersion del aire dentro del reactor (Warmoeskerken et a/, 1981; Nienow et a/, 1986; Cahue, 1987, entre otros); el estudio con fluidos Newtonianos y no-Newtonianos de impulsores Rushton duales y/o multiples (Bader, 1987; Smith y Warmoskerken, 1987; Hudcova ef a/, 1989; SBnchez et a/, 1992); asi como modificaciones a1 diseAo original tales como 10s impulsores de paletas curvas (Warmoskerken y Smith, 1989; Galindo y Nienow, 1993).

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Practicamente todos 10s fermentadores agitados mecanicamente de niva; laboratorio y de banco, disponibles comercialmente, incluyen como sistema estandar de agitacion, una o mas turbinas tipo "Rushtonu. La relacibn entre el ancho y el largo de las paletas (respecto al diarnetro de la turbina) generalmente se conserva. Sin embargo, se ha detectado (a1 menos para aplicaciones de nivel banco y de planta

1 piloto) que los impubores con que vienen equipados 10s fermentadores comerciales tienen por lo general una relacion DJD menor que la "estandar de 0.75. Esta (aparen- temente pequeria) diferencia en la geometria del impulsor puede ocasionar cambios il I importantes en sus caracteristicas de suministro de potencia. Sin embargo, a ~ j n

3 trabajos que han involucrado el estudio de una amplia variedad de parhmetros " i ii

geornetricos (Brauer, 1979), no han tomado en consideracidn este factor. En conse- 1 1 cuencia, uno de 10s objetivos de este trabajo fue la caracterizacion de la potencia consumida por esdos impuisores "no estandar", per0 de amplio uso en fermentadores 1 cornerciales de nivel de banco. Los estudios de consumo de potencia se llevaron a $ cab0 en un tanque de acrilico (de geometria identica a la de un fermentador), el cual 1 fue montado sobre un dinam6metro de cojineta neumhtico, en donde es posible evar a cab0 mediciones muy precisas de la potencia suministrada por el sistema de

i agitacidn (ResCndiz et a/, 1991). I

b El estudio de la hidrodinamica en fluidos Newtonianos o no-Newtonianos, ha b

1 repercutido en un mejor entendirniento del flujo mono y bifasico en la region del 1 impulsor (Bruijn et a/, 1974; Warrnoeskerken et a/, 1981; Kuboi et a/, 1983; Cahue, 1987). En este sentido destaca el trabajo pionero de Bruijn y coiaboradores (1974), I.

. quienes mediante tecnicas cinematograficas describieron la forrnacion de cavidades [; 1 de aire en las paietas de 10s irnpulsores Rushton. Demostraron que la mayor parte de I ; la transferencia de masa se lleva a cab0 en ia periferia del impulsor, que es la zona de !; e

i; mayor turbulencia. Debido a que 10s factores que influyen sobre la potencia aireada ;j son demasiado complejos, no es posible encontrar relaciones universales para prede- ;i I cir el consurno de potencia, eXcepto en un interval0 limitado de !as variables relevantes !;

1 (vant Riet et a/, 1976). Se ha comprobado que es muy dificil desarrollar correlaciones ji ! que permitan gredecir de manera exacta la potencia en condiciones aireadas, (Nienow '

et a/, 1977; Allsford, 1985; Cahue, 1987; Galindo, 1989, Nienow, 1990b). Esto se debe, h I i I en pane, a que el flujo de gas que determina el tamafio de las cavidades, no es linicamente el introducido a traves del aspersor, sino tambibn el que se aspira a traves

,, de la superficie del liquid0 y el que recircula y coalece en las paietas del impulsor. Este !/ j llega a ser, en fermentadores de pequeria escala, tres veces mayor que el introducido 1

a travks del aspersor (Fuchs et a,, 1971; Middleton, 1985). I! 4 i! t I El suministro de potencia en un sistema gas-liquid0 esta controlado por el , , I tamafio y tip0 de cavidades de gas que se forman en la parte posterior del irnpulsor 1

(Bruijn et a/, 1974; Nienow, 1990b). La existencia de estas cavidades se debe a la formacion de zonas de baja presidn que se generan en la parte trasera de las paletas I

11 del impulsor. La fase gaseosa es arrastrada por 10s vortices cilindricos (Nienow y : 1 Wisdom, 1974) hacia la zona de baja presibn, donde se forman las cavidades llenas de 1; 1 /I aire sobre la cara de succibn de las paletas. El proceso de formacibn de cavidades j! pasa a traves de varios estadios. La estructura de estas cavidades se ha estudiado i '

i bajo condiciones de aireacidn constante en funcidn de la velocidad de agitacidn y bajo !, i; condiciones de velocidad de agitacidn constante y flujo de aire variable (Nienow et a/, I,

1: 1977; Cahue, 1987; Nienow, 1990b). '" 7.5 I i,$+

B

En 10s fermentadores comerciales de nivel de banco, el suministro de aire se e [leva a cab0 generalmente mediante un aspersor de oribio. Nienow et d (1986) han F i mostrado que el uso de distribuidores de aire en forma de anillo presentan ventajas

i operativas. Un segundo objetiv~ del presente trabajo fue la evaluaci6n del cansumo d s I potenci$ bajo condiciones aireadas utilizando aspersores de anillo muttiorificios de j varios diametros, !

MATERIALES Y METODOS Sistema de medicion de torque

Las dimensiones geom6tricas del recipiente se muestran en la Pigura la. Ei tanque de acrilico fue geometricarnente similar a un fermentador comercia! de 14 litros (Labroferm, Modelo FS-344, New Brunswick Scientffic Co., E. Ls. A.), en el que fue posible utilizar 10s impulsores del fermentador. El recipiente se equip6 con cuatro mamparas, las cuales son removibles. El dinambmetro de coiinete neumatico y el equip^ auxiliar han sido descritos en detal!e por ~esbndiz-es a1 (1991). Ei control de la v6locida.d de agitacion se llevo a cabo con un potencibmetro y la rnedicihn de la mismz. con un transductor ferro-magn@tico (Power instruments, Modelo 892-1800 O!-lM- SXC), un engrane de 60 dientes y un tac6metro (Power instruments 1715VR) .Con sste sistema es posible obtener desviaciones mhimas de +I- Irpm en todo el intewalo de velocidades reportados (Martinez, 1990; Resbndiz et a/, 1991).

En este sistema de mediciin de torque, el torque de friccibn estAtica, (targue minimo que se debe ap!icar para que gire el recipiente que flota sobre el co,iinete neum&ico) es de 4 x lo4 M m (Martinez, 1990; ResQndiz et a/, 1991). Los torques experimentales que se utililizaron para calcular la potencia y los nhrneros de potencia reportados en este rrabajo variaron entre 1 3 x y 6.76 x 10-I Nm. La fricci6n estatica constituyo entonces entrs el 2.1% y el 0.06% para los intervalos de torqble antes mencionados, Con este equipo es posibie minimizar el efecto de la friction, que es la principal limitacibn que se time para rnedir en forma exacta la potsnciz surninistra.da en tanques de niwel banca.

La incertidumbre en las mediclones primarias, estc! es en la ve!ocidad de agitacion (1-1- 1 rpm) y en el torque (menor a +/- I%), generan una incestidumbre en los valores de numeros de potencia no mayor al 5%. Se ha demostrado experimen- talmente (Resendiz ef a/, :991) que la incertidumbre en la deterrninaci6n de nOrneros de potencia, baja idknticas condicicnes y determinldas en hasta !O repeticiones al azar, es, en e! peer de 10s casos, dei 5% y en el intema!o experimentado de torques, tipicamente menor al 2.5%. Elic significa que con este dinarnometro es posib!e dis- criminar entre conjunto de dams que muestran diferencias mayores al 3-5% en nljmeros de potencia.

En la. figura I b se muestra un esquema del tip0 de impulsor usado y en la tabla 1 se especifican las dirnensiones de los impulsores empleados. En todos Bos experimentos se uailitb un solo impulsor a la vez. En los casos en 10s que se suministr6 aire, se utilizo un aspersor de orifici~ con un diAmetro de salida igual a! dihmetro dal tubo (3.97mm). Se usaron tarnbihn aspersores de anillo de dihmetro (DJ igual a 0.057 y O.0Ri rn. El digmetro interno del tubo de estos ljltirnos aspersores fue de 3.97 rnm con barrenos de 0.794 mm cada 24.4.".

Figura 1.- Esquema y dimensiones del: a) tanque de mezclado y b) del impulsor de turbina de seis paletas planas

TMLA 1

DlMENSlOMES DE LOS IMPULSORES DE TURBIM DE SElS PALETAS PLANAS

BIOTECNBLOGIA

Determinacion de potencia y calculo de nhmeros adimensionales II

En todos 10s casos se utiliz8 agua a temperatura ambiente (20 +/- 1°C) como fluido de prueba. La densidad del agua a esta temperatura es de IQQQ kg m3. El volumen de liquido fue aquel para el cual la altura de liquido fuera igual al diArnetro del tanque (# = T). En las determinaciones de numeros de potencia en condiciones no aireadas, el impulsor se colocb a una aftura (respecto al fondo del tanque) de 6.25 veces el diametro del tanque (C = Tl4). Para las determinaciones de potencia en condiciones aireadas se utilizb C = TI4 con el aspersor de orificio y S = TI3 para todas las determinaciones con 10s aspersores de anillo y para algunas d4erminaciones con el aspersor de orificio.

La potencia suministrada por 10s impulsores se determint5 conociendo el brazo de palanca (b) y la fuerza detectada (F) por la celda de carga:

donde:

I Los nirmeros adimensionales empleados en este trabajo fueron 10s siguientes: tl I S

I: I j Numero de potencia= Pog =- I\ en condiciones aireadas pN3D5 ,I

p :1 !1 2 Numero de Froude= j!

Tecnicas visual, fotografica y de video grabaciQn para el registro de cavidades de aire

ll

I; La observacibn de las cavidades de aire formadas en las paletas de los I' /I impulsores se realizd con la ayuda de una ldmpara estroboscdpica (General Radio,

I 447n

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en un piano perpendicular ?!

.1 del fondo del Zanque (figura la). La luz se dirigi6 hacia !a parte inferior y a! centro del 1 impu!sor. Todo ello en condiciones de oscuridad. Con el objeto de congelar la 4 imagen del impu!sor mientras este gira, la velocidad de la lampara se sincronizb con la velocidad de rotaci6n del impulsor. Para el registro de video se utilizd una chmara de video grabaci6n con formato para pelicuia de 8 mrn (Sony HandycamPRO, CCD-V91 V90). Las tornas de video se hicieron de la imagen del impulsor proyectada en un espejo, colocado en la parte inferior del tanque a 65" (Resendiz et a/, 1991). La camara se conect6 a un monitor de color (Sony Trinitron) de manera que se podia ~ b s e ~ a r a traves de este Zos cambios en la estructura de las cavidades conforme se variaban las condiciones de operacibn (agitacidn y/o aireaci6n). Las fotografias se tomaron direc- tamente del monitor de video con una camara fotogr&fica Minoba XE-7 a una velocidad de obturacion de 112 s, con una abertura de diafragma de 3.5 y con pelicula blanco y negro ASA QOD.

RESULTADOS Y DISCUSION M6meros de potencia sin aireaci6n en el regimen turbulento

Los nirmeros de potencia obtenidos en el rQgimen turbulento se presentan en las figuras 2a. y 2b. Los valores de Po estuvieron entre 3.8 y 5.2. Corn0 es conocido, el valor irepaado por Rushton et al (195Qa y 1950b) de Po=6.3 en el regimen turbulent~ y recornendado en los libros de text0 con fines de disefio, fue obtenido con equipos que tenian considerable friccion en 10s sistemas de medision de torque (Bates e l a! 1963, Bujalski et al, 1987). Actualmente se sabe que Po depende de !a escala, de la gesrnetria del sisterna y que no es constante en el regimen turbl~lento (Bujalsky ea a!, 1987; Ca?7ue, 1987).

La figura. 2a rnuestra que conforme el dihmetro del impulsor fue menor, 10s nairneros de paencia fueron-mayores. Una prueba de t-student mosar6 que, al 95% de confianza, los numeros de potencia fueron diferentes con significancia estadistica para los tres diferentes diametros de impulsores ~eportados en la figura 2a. En general, estos datos concuerdan con 10s reportados por Bujalski et a1 (1986 y 1987), para un tanque de 0.22 rn de diametro. Sin embargo, para escalas mayores (0.29 m) 10s nirrneras de potencia para un misrno nurnero de Reynolds son mayores conforme se incrementa el di6rnetro del impulsor (Bujalskl et el, 1986 y 1987). El efocto del diametro cie! irnpulsor sobre !os numesos de potencia se puede deber a 10s cambios en ciertas relaciones georn4tricas. Por ejemplo, si la relacidn de altura del impulsor respecto a! di6metro deI tanque se mantiene constante (tal como se llevo a cabo en este trabajo), la relacion de attura del impulsor respecto al diametro del impulsor y la distancia entre la punta de! impulsor y la pared del tanque decrecen conforme el dihmetro del impulsor se incrernenta.

Para impulsores con una relaci6n DTT similar (0.36-0.37), se observaron nfirneros ds potencia mayores (para Re iguales) cuando la relacion D,/D fue menor a 0.67 (figura 291, es decir, cuando el diametro del disco fue menor. Estas diferencias fueron estadisticamente significativas cuando se aplic6 una prueba de t-student con el 95% de confianza.

Figura 2- Reiaci6n entre Po y Re, para el mezclado de agua. usando impulsores de turbina de seis paletas ji planas, a) Efecto del diametro del impuisor, b) Efecto dei diametro del disco. La incertidurnbre de las

mediciones (+I- 5%) se encuentra incluida dentro ds 10s slmbolos. ii I' t!

El increment0 en el dihmetro del impulsor, y por consiguiente la variacibn de las relaciones geombtricas, ocasionan aleracioner en el patr6n de flujo del fiuiido lo que conduce a cambios en la potencia consumida por el sistema. Puede concluirse que el valor de 10s nrimeros de potencia en el r6gimen turbulent0 depende de la configuracibn geomktrica del sistema.

I Potencia en condiciones aireadas con diferentes aspersores I

? a) Velocidad de agitation constante y flujo de air@ variable

i'

Para determinar el eleclo de la relaci6n DJD sobre el numero de potencia en presencia de aireacion, se estudi6 la potencia suministrada en funcidn del n~irnero de aireaci6n (FI ). En este caso, se utilizaron los irnpulsores con una relaci6n D/T entre 0.360 y 0.37%, C=T/4 y el aspersor de orificio. La velocidad de agitacidn se mantuvo constante (5.5.') y se increment6 de manera gradual la velocidad de aireaci6n. La figura 3 n~ues~ra que, en condiciones aireedas, el numero de potencia fus mayor conforme la se!aci6n D,/D fur5 menor (para relaciones B/T similasesj. Esto se puede atribuir a que !as zonas de baja presion qus se forman detr6s ds las paletas de! impulsor, se modifican conforrne la relacibn D,/D es menor, "atrapandomhs aire, debido probable-

!' mente al ligerci increment0 del Area efectiva de la paleta y a que el patron de flujo se I !

rnodifica conforme BAD cambia. De acuerds a la forma de las tres cumas presentadas '1 en !a figusa 3, es esperable qrde los esaadios hidrodinamicos (es decir e! tipo de !I cavidades, Cahue, 1987) que se presentan a diferentes numeros de aireacion Sean

sirnilares para 10s tres irnpulsores. Sin embargo, ia potencia suministrada es una

i/ funcidn de la relacion DJD. !I

Figura 3.- Efecto del dihrnetro el disco sobre el nljrnero de potencia en condiciones aireadas. N constants y Q, variable. lrnpulsor de turbina de seis paletas planas: Aspersor de orificio. N=5 s'.

Fiuido: agua

8 . -.. . .-.>' En la figura 4 se presenta el grhfico de Pg/P versus FI oara D.K=Q.350 y

g : C=T/3. Tambien se presentan fotografias representativas de cinco trpcs de cavidades de aise. Los valores de PJP en funcion de Fig dependen del estado hidrodin6mico ds dbpersi6n del airs en la zona del impulsor. La relacion PJP para nljmeros de aireacibn bajos (20.025) fue ligeramente menor de uno y se detect6 la forrnacibjn de cavidades 'vordice" (foto a). A mayores Fig se presentaron las cavidades "adherennnn"(foto b) !CI que se relaciona con una dismincaci6n en P$P.

lncrementos adicionales del nlimero de aireaci6n ocasionaron que se formaran cavidades con la estructura 3-3"foto c), lo cual origin6 decrementos sustanciales de la relacibn PJP y cuyo estado hidrodin6mico corresponde al de dispersi6n completa (Smith y Warmoeskerken, 1987). Las cavidades Qgrandes" (foto dj se presentaron con mayores incrementos del nlimero de aireaci6n. Estas cavidades se presentan en la parte en la que se observo can cambio en la 'concavidad de la curva y en la cual PJP fue practicamente independiente &I nGrnero de aireaci6n. A ntimeros de aireacion altos (mayores a 0.25) se present6 el fenomeno de Ynundacion" o 'saturaci6nU del irnpulsor (foto e).

-

h (a) CAvrDADEs w v o R T I c E "

O e g r " 1 1 (b) CAVIDADES

"ADHEREMTES" . , .

c) CAVIDADES CON ESTRUCTURA "3/3" (e) INUNDACION I

DEL IMPULSOR

I Figura 4.- Cavidades de aire formadas en relaci6n con la curva de potencia a N constante y Q, variable. lmpulsor de turbina de seis paletas planas: D=0.36T, N =5 s-'. Fluido: agua

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(' .C ; , , " if ; '2' 1 En la figura 5 se muestra la relacion P,/P en funcion del numero de aireacirjr.

(velocidad de agitacion constante, increment0 d5l flujo de aire) empleando 10s aspersores de anillo de diametro igual a 0.77 y 1.1 veces el diametro del impulsor. Con fines cornparativos, tambien se presentan 10s resultados para el aspersor de orificio. Las curvas para el aspersor de anillo (DS=0.77D) y con el aspersor de orificio, presentaron un comportamiento muy similar. Este comportamiento se caracteriza por una ligera disminuci6n de la relacion PJP a bajos nljmeros de aireacion; seguida de un decre- mento drastic0 en PJP hasta llegar a un punto donde cambia la concavidad de la curva (presencia de cavidades 3-3"). Finalmente se Ilega a una condition en la que el valor de PJP es practicamente independiente del numero de aireacion. Debe destacarse que aunque la tendencia bue la misma, 10s valores de PJP fueron inferiores (en practicamente todo el interval0 de Fig experimentado) para el aspersor de orificio.

Simbolo Aspersor Ds/D

Anillo 1.10

";; cJ-' Como es evidente en la foto e (figura 4) y en la figura 5, cuando se utiliz6 el

aspersor de orificio, el impulsor se inund6 a un numero de aireacion de 0.265. En el caso del aspersor de anillo (DJD = 0.77), el impulsor se inund6 a FIg=0.23. Este fendmeno se manifiesta en la figura 5 como un increment0 de PB/P a numeros de aireacion superiores a 0.20. A diferencia de 10s otros aspersores, cuando se utilizb el aspersor de anillo con DJD = 1.1, el estado hidrodinamico de inundaci6n del impulsor no se present6 en el intervalo de Flg estudiado. Ademas, en la mayor parte del intervalo de numeros de aireacion, cuando se us6 el aspersor de anillo con Ds=l.lD, el irnpulsor suministro una mayor cantidad de potencia. Las cavidades %dherentesU se presentaron en un mayor intervalo de numeros de aireacion. Esta situacion permitiria obtener mayores coeficientes de transferencia de oxigeno (a una misma velocidad de agitaci6n y aireacion) para el aspersor de anillo con DS=l.lD respecto a 10s otros aspersores (O!dshue y Connelly, 1977; Nienow et all 1986). Por otro lado, el comportamiento de la curva de P /P versus Flg, a flujo de aire variable y cuando se utilizan aspersores de anillo con BS>0.75~ puede tener ventajas operativas respecto a 10s otros aspenores, debido a que se pueden utilizar velocidades de aireaci6n mayores antes de que se inunde el impulsor (Nienow et all 1986; Breucker et a/, 1988).

N = cte.

0.3 I I I I I I I I I

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

F1 x 100 (-) g

Figura 6.- Curvas de caida de potencia a diferentes velacidades de agitaci6n. N constante y Q, variable para cada curva, lrnpulsor de turbina de seis paletas planas: D=0.524T. Aspersor de anillo D,=0.081 (D8=0.75D).

Fluido: agua

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1

Con frecuencia, para calcular la potencia consumida en condiciones aireadas para impulsores de turbina en fermentadores, se utilizan las graficas de Oyama y Endoh (1955) que presentan 10s textos de lngenieria Bioquimica. Por cierto, debe men- cionarse que Oyama y Endoh no utilizaron impulsores de turbina de seis paletas para llevar acabo sus investigaciones. Sin embargo, como se muestra en la figura 6, la velocidad de agitacion y/o el numero de Froude (Warmoeskerken et a/, 1981; Cahue, 1987) determinan 10s valores y forma de la relacion PJP versus el nlimero de aireacion. A una velocidad de agitacidn o un numero de Froude mayor, corresponde un valor menor de la relacion Pg/P a un mismo numero de aireacion.

b) Flujo de aire constante y velocidad de agitacion variable

En la figura 7 se presenta la relacion Pg/P en funcion del nljmero de aireaci6n cuando se mantuvo el flujo de aire constante (1 wm) y se increment6 la velocidad de agitaci6n para el impulsor con D=0.360T. Para el aspersor de orificio y de anillo (Ds=0.77D), la forma de la curva fu6 muy similar aunque 10s valores de PJP para el aspersor de anillo fueron siempre superiores a 10s que present6 el aspersor de orificio. Las curvas presentan un minimo, el cual corresponde a la velocidad de agitacibn necesaria para alcanzar la condition de flujo de dispersion completa (Nienow et a/, 1977; Allsford, 1985; Nienow, 1990b).

La curva de PJP versus el numero de aireacion (figura 7) para el aspersor con Ds=l.lD, result6 muy diferente a la obtenida con el aspersor de orificio y con el aspersor de anillo con Ds=0.77D. En la mayor parte del interval0 estudiado, practicamente no se experiment6 disminucion en la relacion PJP. Lo cual implica que se puede aplicar hasta 55% mas de potencia, cuando se utilizo el aspersor con diametro mayor al del impulsor, respecto a 10s otros aspersores. Ello puede tener ventajas operativas debido a que, a la misma velocidad de agitaci6n y flujo de aire, cuando se usa este aspersor (bs>D) se puede suministrar mayor cantidad de potencia, lo que puede tener ventajas en el mezclado del fluido y potencialmente en lograr mayores coeficientes de transferencia de oxigeno.

CONSIDERACIONES FINALES ii De acuerdo a lo discutido en la seccion de potencia, en ausencia de 1

aireaci6n, el uso de Po = 6.3 (practica que es arnpliamente utilizada en el disefio de tanques agitados y en la estimacion del coeficiente de transferencia de masa en fermentadores de varias escalas), conduce a una sobreestimacion de la capacidad del motor para obtener un determinado valor de potencia por unidad de volumen y -lo que es mas importante para el escalamiento de un proceso- a la estimacion erronea de valores de transferencia de masa. Esta es una de las razones por la cual frecuentemente 1 no existe concordancia entre valores experimentales de coeficientes de transferencia de masa y aquellos calculados o estimados mediante correlaciones. I

Como es bien conocido, el coeficiente volumetrico de transferencia de 1 oxigeno (para sistemas no coalescentes) es funci6n de (PdV)OQW (Linek et a/, 1987). Si 1 se toma un valor de Po=6.3, en lugar de un valor mas realista de, por ejemplo, 5, la a estimacion del coeficiente de transferencia de oxigeno (para un deterrninado tamaiio j i

- Qc = 1 vvm

Simbolo Aspersor Ds/

Orificio

Figura 7.- Curvas de caida de potencia para diferentes aspersores de aire a Q, constante y N variable. lmpulsor de turbina de seis paletas planas: D=0.360T. Flujo de aire-lwm.

Fluido: agua

de impulsor y a ciertas condiciones de velocidad de agitaci6n y aireacidn) seria 1;

il aproximadamente 24% mayor. Al realizar este tipo de c&lculos, y si se pretende una

/I estimacion rigurosa de Po, es necesario tomar en consideracibn el efecdo de las ii relaciones DR y D,/B (este trabajo) y tambibn lcs efectos tanto del espesos del material ii I ! como el de la escala de operacidn (Bujalski et el, 1986 y 1987). I Si se emplea la cuwa de Qyama y Endoh para estimar la potencia en !! .I condiciones de aireaci6t-1, se puede incurrir en errores sustanciales al estimar coefi- I ; cientes de transferencia de oxlgeno.

Cuando se utilizan varios impulsores de turbina m~ntados en una fiecha : (practica comun en procesos de fermentaci6n), el uso de aspersores de anillo mayores i al diametro del impulsor permite que la potencia suministrada psr el impulsor inferior : en condiciones aireadas, puede igualarse a la potencia suministrada por cada uno de

Ios impulsores coiocados en la parte superior del fermentador (Nienow,1990b).

I CONCLUSIONES

En el regimen turbuienio, 10s valores del nlimero de potencia de impulsores de turbina (a un misrno nurnero de Reynolds) para un fluido Newtoniano (agua), son j una funci6n del diarnetro del impulsor y del diametro del disco del impulsor. I

Las curvas de potencia en funci6n del nrimero de aireaci6n para 10s asper- d !i

sores de orificio y para el de anillo (Bs<D) presentaron un comportamiento muy similar. '1 En la mayor pafie del intewalo de los numeros de aireacion experirnentados, es posible ;I suministrar una mayor cantidad de potencia (a la misma velocidad de agitaci6n o de I

'i aireaci6n) con un aspersor de anillo cuyo diametro es mayor al diametro del irnpullsor. ;! Tambikn se logra aplicar mas potencia con impulsores cuyo diametro del disco es 11 rnenor del 75% respecao al diametro del impulsor. El aspersor con dihmetro mayor al djametro del impulsor ewita la inundaci6n del agitador y permite suministraa cerca de 11

55% mas de energia, si se compara con el aspersor de orificio a de anillo con Ds=0.77D I / a un mismo numero de aireaci6n. 11 No obstante que existe una considerable canlidad de informaci6n respecto a tarlques agitad~s mec&nicamente con turbinas Rushton, este trabajo mostrd sue 1; existen sun varios aspectos que no han sido docurneniados y que tienen reper- r;

I

cusiones sobre el funci~namiento de \as turbinas de disco. Es necesario reaiizar mas investigaci6n utiiizando fluidos Newtonianos y no-Newtonianos de inter& practico en el area de producci6n de productos biotecno1ogicos.

?I Se agradecen los comentar!os del Dr. A. Cahue durante el desarrollo experi-

mental de esfe trabajo. 11

- NOMENCLATURA 11

bra0 de palanca ancho de la marnpara altura del impulsor respecto al fondo del tanque diametro del impulsor diametro del disco de un impulsor de turbina diametro del aspersor de anillo distancia entre la mampara y la pared del tanque fuerza detectada por la celda de carga numero de aireaci6n (Q,/MD3) numero de Froude (N2D/g) constante gravitational altura del liquido largo de la paleta del impulsor velocidad de agitation

Iml [ N l [adimensional] [adimensional] I9.81 ms2] [ml Iml [s-'I

BIOTECNOLOGIA

I P potencia

p, potencia consumida en condiciones aireadas Po numero de potencia (PlpN3D5) [adimensional]

T v vvm w W

x

numero de potencia en condiciones aireadas (PglpN3D5) flujo de aire numero de Reynolds para fluidos Mewtonianos (D2Nplp) diametro del tanque volumen (vol. aire/min)/vol. liquid0 ancho de la paleta del impulsor velocidad angular espesor del disco de la turbina

Griegas viscosidad dinhmica densidad

[adimensional] [m3 sl]

[adimensional] [ml [m31 [m3 m3 min.'] [ml Is-'] [ml

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Consumo de potencia en fermentadores de 14 litros