slide sem títulodebiq.eel.usp.br/~joaobatista/aula52010.pdf · sólidos transporte pneumático...
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Material/objetivo Transporte Mistura Separação
Modificação de tamanho
Fluidos: líquidos e
gases
BombeamentoVentilação
CompressãoAgitação eMisturas
Centrifugação(L-L) Atomização
Fluidos e sólidos
Transporte PneumáticoTransporte hidráulicoPerda 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
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA
Finalidade:Finalidade:
Mistura de fluidosMistura de fluidos
Transferência de calorTransferência de calor
Transferência de massaTransferência de massa
Facilitar reaFacilitar reaçção quão quíímicamica
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAEquipamento utilizado:Equipamento utilizado:
4 defletores igualmenteespaçados Wb
Hi
Elevação Plano
Defletores tão finoscomo possível
Impulsor tipo turbina
= 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
W&
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAImpulsores :Impulsores :
PPáás s
Turbinas de pTurbinas de páás e discos e disco
HHéélices lices
ÂncorasÂncoras
Espirais duplasEspirais duplas
São projetadas para uso em dispersão, dissolução, emulsificação de materiais sólidos/líquidos/gasosos.
Impulsores com alto cisalhamento Impulsores com alto cisalhamento ((HighHigh SpeedSpeed DisperserDisperser BladesBlades):):
Produz alto cisalhamento, bombeamento e redução de tamanhos de aglomerados
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA
Turbina de pás inclinadas:Turbina de pás inclinadas:
Linhas de escoamento e turbulência Linhas de escoamento e turbulência
ReynoldsReynolds
NNúúmero de Potênciamero de Potência
NNúúmero de mero de FroudeFroude
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA
Adimensionais:Adimensionais:
53/ iDNWPo ρ&=
μρ /Re 2iDN=
gDNFr i /2=
ExemploExemploTransferenciaTransferencia de de masamasa::A A transferenciatransferencia de massa tem por base os princípios de: convecção e difusão;de massa tem por base os princípios de: convecção e difusão;A forma esquemática de entender o fenômeno de A forma esquemática de entender o fenômeno de transferenciatransferencia de massa pode de massa pode ser dividida em diferentes etapas: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 MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA
TransferenciaTransferencia de de masamasa gasgas--líquidolíquidoEm Em unun procesoproceso aerobioaerobio, o oxigênio é o substrato , o oxigênio é o substrato havehave e devido a sua baixa e devido a sua baixa solubilidade em soluções aquosas, a transferência contínua solubilidade em soluções aquosas, a transferência contínua de oxıgênio da fase de oxıgênio da fase gasosa para a fase líquida para manter o metabolismo gasosa para a fase líquida para manter o metabolismo oxidativooxidativo das células é das células é decisiva.decisiva.Coeficiente de transferência de oxıgênioCoeficiente de transferência de oxıgênioA capacidade de absorção de oxıgênio de A capacidade de absorção de oxıgênio de unun biorreatorbiorreator agitado agitado mecanicamente é representado pelo coeficiente volumétrico de tramecanicamente é representado pelo coeficiente volumétrico de transferência de nsferência de masamasa kkLLaa;;O sensor de oxıgênio dissolvido é utilizado O sensor de oxıgênio dissolvido é utilizado frequentementefrequentemente para medir o para medir o kkLLaa;;Primeiramente, o Primeiramente, o biorreatorbiorreator é é burbulhadoburbulhado com nitrogênio e no tempo igual a com nitrogênio e no tempo igual a zero, inicia o zero, inicia o borbulhamentoborbulhamento com ar;com ar;Então, a taxa de transferência de oxıgênio pode ser modelada coEntão, a taxa de transferência de oxıgênio pode ser modelada como o produto de mo o produto de da diferencia entre da diferencia entre lala concentração de concentração de equilibrioequilibrio e a concentração existente na e a concentração existente na fase fase líıquidalíıquida e o coeficiente global de e o coeficiente global de transferenciatransferencia de massa de gásde massa de gás
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA
DeterminaDeterminaçção do coeficiente ão do coeficiente volumetricovolumetrico de de transferenciatransferencia de oxde oxııgênio:gênio:Diferentes Diferentes metodosmetodos são utilizados para medir o coeficiente volumsão utilizados para medir o coeficiente voluméétrico de trico de transferência de oxigênio, transferência de oxigênio, kkLLaa..
a) Ma) Méétodo diretotodo diretob) Mb) Méétodo dinâmicotodo dinâmicoc) Mc) Méétodo sulfitotodo sulfitod) Md) Méétodo com pertodo com peróóxido de hidrogênioxido de hidrogênioO segundo mO segundo méétodo o qual utiliza para a meditodo o qual utiliza para a mediçção do oxão do oxııgênio dissolvido um gênio dissolvido um sensor, sensor, éé o o metodometodo mais adequado que e pode ser utilizado tanto na presenmais adequado que e pode ser utilizado tanto na presençça a quanto na ausência de reaquanto na ausência de reaçção.ão.
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA
)( *LLL
L CCakdt
dC−= (1)
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO 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, propiedadesfísicas do meio de cultura, solubilidade do composto.
)( *LLL
L CCakdt
dC−=
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA
Método dinâmico (Gas-out gas-in):Calibrar e medir kLaPara 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 %.
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO 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 pressãoparcial de oxigênio no meio e medindo a sua resposta;A resposta do sensor pode aproximar-se de um sistema de primeira ordem:
)(1*p
p
tte
CC −
−= (2)
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO 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:
pτ
)(*
dtdC
cc ppp τ=−
)(1*p
p teCC
τ−
−= (3)
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURA
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 determinaçõesentretanto, se o kLa−1 é muitoo maior que esta preocupação não é necessária.
(4))1()1ln( * tCC
p
p
τ=−
pτ
pτ
pτ
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURADeterminação 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 = CO2
0 a t = t0
)( *LLL
L CCakdt
dC−=
∫ ∫=−
2
*2 22
2
*
O
O O
C
C
t
tL
OO
O dtakCC
dC
)(ln22
22
*
*
oLoOO
OO ttaKCCCC
−−=−
−
(5)
(6)
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA equação (6), resulta numa equação linear em que o valor de KLa é determinado pela inclinação da reta:
)(ln22
22
*
*
oLoOO
OO ttaKCCCC
−−=−
−(6)
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA 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 MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA 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 MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA 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 MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA 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
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO E MISTURANa 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 MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA 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 MISTURAAGITAÇÃO E MISTURAA Figura , apresenta as equações obtidas ao realizar as
regressões dos dados experimentais e ao combinar os resultados.
AGITAÇÃO E MISTURAAGITAÇÃO 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
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