(

Proyecto Final

Construcción y Caracterización de Impulsores

Tecnológico de Monterrey

Campus Estado de México

Mario Alfonso Arenas García A01162581 Ariadna Berenice Trejo Raya A01163207

María Elena Mendoza Acosta A01163564 Natalia Martínez Balderas A01163759

María Alejandra García Alcaraz A01167481

Dr. César García Díaz

2014

Laboratorio de

Bioprocesos

2

Índice General

1. Introducción……………………………………………………………………………………… 4

2. Antecedentes……………………………………………………………………………………. 6

3. Hipótesis…………………………………………………………………………………………. 9

4. Objetivos………………………………………………………………………………………… 10

5. Metodología…………………………………………………………………………………….. 10

5.1 Determinación de Tiempo de Mezclado……………………………………………….. 10

5.2 Determinación del Coeficiente de Transferencia de Oxígeno (kLa)………………… 10

5.3 Visualización de Patrón de Mezclado…………………………………………………... 11

6. Resultados………………………………………………………………………………………. 11

6.1 Tiempos de Mezclado Impulsores………………………………………………………. 11

6.1.1 Equipo 1……………………………………………………………………………... 12

6.1.2 Equipo 2……………………………………………………………………………… 12

6.2 Comportamiento de Oxígeno Disuelto (O.D)…………………………………………… 13

6.2.1 Equipo 1……………………………………………………………………………… 13

6.2.2 Equipo 2…………………………………………………………………………....... 15

6.3 Coeficiente de Transferencia de Oxígeno (KLa)……………………………………….. 16

6.3.1 Equipo 1……………………………………………………………………………… 17

6.3.2 Equipo 2……………………………………………………………………………… 18

7. Discusión………………………………………………………………………………………… 19

8. Conclusiones……………………………………………………………………………………. 21

9. Perspectivas…………………………………………………………………………………….. 21

10. Fuentes de Información………………………………………………………………………. 21

11. Apéndice……………………………………………………………………………………….. 23

11.1 Dimensiones Impulsor A - Axial……………………………………………………….. 23

11.2 Dimensiones Impulsor B - Radial……………………………………………………… 24

Índice de Figuras

Figura 1.1 - Patrón de flujo radial………………………………………………………………….. 4

Figura 1.2 - Patrón de flujo axial…………………………………………………………………... 4

Figura 2.1 - Flujo en configuración con tres impulsores A340…………………………………. 7

Figura 2.2 - Caracterización de flujos-parámetros usando impulsores radiales y axiales...… 7

3

Figura 2.3 - Diagrama de impulsor TALON™……………………………………………………. 8

Figura 2.4 - Diagrama de impulsor Raptor™…………………………………………………….. 8

Figura 2.5 - Diagrama de impulsor Aero-Brush™……………………………………………….. 8

Figura 3.1 - Imagen de impulsores propuestos (A y B)…………………………………………. 9

Figura 3.2 - Imagen de impulsor A e impulsor B por un lado…………………………………... 9

Figura 6.1 - Imagen de impulsores propuestos (C y D)……………………………………….. 11

Figura 11.1 - Dimensiones del impulsor radial basado en el Pitched Blade Turbine………. 23

Figura 11.2 - Dimensiones del impulsor axial basado en el Impulsor Smith y Rushton…… 24

Índice de Gráficas

Gráfica 6.1. Variación de O.D a 0.5 VVM con respecto al tiempo para el impulsor A…….. 13

Gráfica 6.2. Variación de O.D a 1.0 VVM con respecto al tiempo para el impulsor A…….. 14

Gráfica 6.3. Variación de O.D a 1.0 VVM con respecto al tiempo para el impulsor B…….. 14

Gráfica 6.4. Variación de O.D a 1.0 VVM con respecto al tiempo para el impulsor C…….. 15

Gráfica 6.5. Variación de O.D a 0.5 VVM con respecto al tiempo para el impulsor D…….. 15

Gráfica 6.6. Variación de O.D a 1.0 VVM con respecto al tiempo para el impulsor D…….. 16

Gráfica 6.7. Cálculo de KLa con respecto al tiempo para el Impulsor A…………………….. 17

Gráfica 6.8. Cálculo de KLa con respecto al tiempo para el Impulsor B…………………….. 17

Gráfica 6.9. Cálculo de KLa con respecto al tiempo para el Impulsor C en diferentes

arreglos.……………………………………….…………………………………………………… 18

Gráfica 6.10. Cálculo de KLa con respecto al tiempo para el Impulsor D…………………... 18

Índice de Tablas

Tabla 2.1 - Configuración impulsores con tipo de flujo, características y aplicaciones……………….. 5

Tabla 6.1. Tiempo de Mezclado para el Impulsor A en posición normal e invertida……….. 12

Tabla 6.2. Tiempo de Mezclado para el Impulsor B en posición normal e invertida……….. 12

Tabla 6.3. Tiempo de Mezclado para el Impulsor C en posición normal e invertida……….. 12

Tabla 6.4. Tiempo de Mezclado para el Impulsor C en posición normal e invertida (pH 8.8 -

14)…………………………………………………………………………………………………… 12

Tabla 6.5. Tiempo de Mezclado para el Impulsor B en posición normal (pH 8.8 - 10 y pH 8.8

- 14)………………………………..………………………………………………………………… 13

Tabla 7.1. Comparación de valores de KLa por impulsor a 1.0 VVM y 500 RPM…………... 19

4

1. Introducción

El reactor de tanque agitado es de los más empleados ya sea en biotecnología o en la

industria química; y cuya finalidad es poder llevar a cabo al mismo tiempo una agitación y un

mezclado. Como tal, la agitación consiste en forzar a que el fluido fluya mediante un método

mecánico mientras que el mezclado radica en tomar dos o más fases miscibles separadas y

hacer que tengan una distribución uniforme y aleatoria dentro del sistema. (Jakobsen, 2008)

El efecto de tanto la agitación y el mezclado permite que se realice una transferencia

simultanea de momento, calor y masa al igual que mantener el sistema relativamente

homogéneo. Para poder realizar esto, se requiere el uso de los impulsores; un rotor que

incrementa la presión y el flujo del fluido. (Asenjo, 1994)

Los impulsores tienen dos tipos principales de flujo, siendo:

Radial

El fluido es ‘proyectado’ hacia afuera del eje del impulsor, generando corrientes en

dirección tangencial a la pared del tanque. Al impactar contra las paredes, el flujo se divide

en dos; una mitad circula hacia la superficie mientras que la otra mitad circula hacia el

fondo del tanque. Esto ocasiona dos regiones de baja velocidad promedio. La descripción

se puede ver gráficamente en la figura 1.1. (Jakobsen, 2008)

Axial

Al realizar esta agitación, el fluido es impulsado de manera paralela al eje del impulsor.

Por lo general, el líquido es ‘bombeado’ hacia la parte inferior del tanque y posteriormente

sube hacia la parte superior del tanque; manteniéndose cerca a las paredes hasta

aproximarse a la superficie. (Jakobsen, 2008) En la figura 1.2 se puede observar el

comportamiento de manera visual.

Sin embargo, los impulsores no actuan de manera ‘independiente’, requieren de bafles

para poder realizar una mezcla turbulenta; ya que de ser lo contrario, puede haber rotación

en los sólidos debido a la aprición de vórtices en la superficie central (por donde esta el eje).

Figura 1.1. Flujo de un impulsor radial. (Jakobsen, 2008)

Figura 1.2. Flujo de un impulsor axial. (Jakobsen, 2008)

5

En velocidad elevadas, esto puede llegar a ocasionar que el vórtice toque el impulsor,

ocasionando un arrastre del aire al interior del fluido. (Jakobsen, 2008)

Hay una variedad de materiales que son empleados para poder construir el impulsor, de

los cuales se pueden encontrar (IHS GlobalSpec, 2014):

Materiales compuestos: material compuesto por lo menos por dos o más elementos

que se complementan en una variedad de características físicas.

Titanio: es fuerte, con baja densidad y altamente resistente a la corrosión. Empleado

por lo general por estas propiedades al igual que por su alta estabilidad térmica.

Aluminio: metal dúctil con buena conductividad y propiedades térmicas; por lo general

llega a ser usado en aleaciones ligeras y duras con buena resistencia a la corrosión.

Acero inoxidable: cualquier aleación de acero con por lo menos 10% de cromo y en

ocasiones de otros elementos. Son resistentes a la corrosión y la oxidación.

Plástico: tienen la ventaja de que pueden ser moldeados y extruidos en una variedad

de formas y películas.

Mientras que hay más como lo puede ser aleaciones con bronce y aleaciones con hierro

(notablemente hierro forjado); la principal problemática es que pueden llegar a reaccionar con

los elementos dentro del sistema, lo cual indica que el proceso no se lleva del todo

adecuadamente o si no se va desgastando rápidamente.

Por otro lado, el tipo de material llega a influir sobre la máxima velocidad operacional del

impulsor (independiente del consumo energético), ya que el límite de deformación y esfuerzo

varía de acuerdo al tipo de material empleado. (IMechE, 2004)

Asimismo, es importante considerar el flujo en el cual operan los impulores. En base a

esto, también se pueden clasificar como mezcladores laminares (viscosos) o turbulentos.

Para aquellos que operan en un regimen laminar, el diametro del impulsor se aproxima

significativamente al del diámetro del tanque; el cual perimte que haya transporte de

momentum en todo el tanque y asesgurar que el fluido se mueva cerca de las paredes del

tanque. Algunos tipos de estos impulsores tienden a ser el de tornillo, ancla y el de cinta (o

listón). (Fogler y Gurmen, 2008)

Otros usos de impulsores son los siguientes:

Son usados en motores denominados turbohélices. Estos motores generan propulsión

al desplazar una gran masa de aire por un cambio pequeño en velocidad. La parte

principal de la turbina de gas es semejante a la de un jet, pero en lugar de pasar el

gas caliente por el orificio de salida; la gran parte de la energia es usada para girar la

turbina. En bajas velocidades, estos motores tienen eficiencias elevadas; pero son

muy ineficientes en altas velocidades. (Benson, s.f.) El principio es semejante para los

barcos.

Tambien son empleados en sistemas de bombeos bajo dos condifuraciones; abierto

o cerrado. Ambos diseños consisten en que el fluido entre por el ojo del impulsor

donde las paletas le proveen de energía y lo dirigen al orificio de salida; la mayor

diferencia entre uno y otro radica en una apertura entre las paletas y la bomba, el cual

impide que el flujo recircule de regreso al ojo del impulsor (elemento visto en diseños

abiertos). (McNally Institute, s.f.)

Se llegan a emplear en extrusores, equipos en los cuales polimeros son derretidos y

se mezclan aditivos; generalmente empleando uno o dos ‘tornillos’ rotatorios. El

producto es obtenido a altas presiones y a un ritmo controlad para poder su forma ya

sea a partir de un molde. (Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment, 2014)

6

2. Antecedentes

Hay una gran variedad de impulsores que se han desarrollado con la finalidad eficientizarlos

para usos específicos; algunos ejemplos se pueden apreciar en la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Configuraciones de impulsores con su tipo de flujo, características y aplicaciones.

Impulsor Tipo de Flujo Características Aplicaciones

Rushton

Radial

Su configuración está determinada por hojas planas en posición vertical a lo largo del eje

de agitación produciendo un flujo unidireccional. Usado principalmente para

disolver oxígeno e introducir energía al fluido mezclado. (Voll, 2013)

Se utiliza en cultivo de células que no sean

sensible al cizallamiento (levaduras, bacterias y

algunos hongos).

Cinta Helicoidal

Axial

Esta configuración permite mantener todo el fluido en movimiento, generando

homogeneidad en todo el reactor; por lo cual disminuye los tiempos de circulación.

(Relandeau, 1999)

Fluidos muy viscosos y aplicado por lo general en la industria de los

alimentos.

Ancla

Radial

Este tipo de impulsor tiene dos brazos que se acercan a la pared del reactor, se adapta muy

bien al fondo del reactor. El campo de flujo generado es tangencial y el régimen que

alcanza es laminar. La velocidad máxima que logra alcanzar es aproximadamente 2 m/s, la

viscosidad que logra agitar es de 10,000 hasta 100,000 cp. (Equipos de mezcla, s.f.)

Una ventaja de su uso es favorecer el

intercambio de calor y disminuye la capa límite de la pared. Se utiliza para recubrimiento,

pigmentos, colorantes y adhesivos industriales.

Hélice Marina

Axial

Promueve fuertes corrientes verticales, lo que es útil para mantener células en suspensión. No es recomendable para μ > 50 cp. (Wixi

Top E, 2012)

Aplicado en reactores de células de mamífero.

Cuchilla Inclinada

Axial y Radial Este tipo de impulsor es útil para la mezcla de alta dispersión y cizallamiento. (Wixi Top E,

2012)

Se aplica para la mezcla, dispersión,

cristalización de partículas, suspensión

de sólido-líquido.

Hydrofoil

Axial

Promueve un flujo eficiente, se utiliza para disociar, suspensión de sólidos, transferencia

de calor, reacción química así como la cristalización de líquidos de baja viscosidad.

(Wixi Top E, 2012)

Mezclado de líquidos y suspensión de sólidos

como células de mamífero.

Para poder generar un nuevo diseño de impulsor, es necesario considerar la aplicación

específica que tendrá. Generalmente son aplicados en los siguientes rubros (Weetman y

Gigas, s.f.):

7

Mezclado ligero de fluidos miscibles

Mezclado de fluidos altamente viscosos

Suspensión solida o disolución

Dispersión líquido-líquido y/o transferencia de masa

Transferencia de masa en mezcla gas-líquido

Transferencia de calor

Por lo general, se tiende a encontrar una combinación de los previos puntos, por lo que

implica que el diseño se complica. También se tiene que considerar el tamaño del reactor a

emplear, ya que las interacciones con los fluidos cambian, notablemente lo que son las

fuerzas y las condiciones de operación del mismo impulsor.

Hay configuraciones en las que se llega a emplear múltiples impulsores sobre el eje (hasta

tres en algunos casos). Dicha configuración permite que el flujo pueda pasar por todo el

sistema y que no se quede en una sola región. Por ejemplo, en la figura 2.1 se observa el

patrón de flujo de un tanque agitado con tres impulsores A340. (Weetman y Gigas, s.f.)

Otra configuración consiste en emplear en conjunto impulsores

radiales y axiales; con la finalidad de poder observar cómo

pueden mejorar la homogenización, retención de gases, tiempos

de mezclado y consumo de potencia. El estudio realizado por

Vrábel, Van der Lans y colaboradores (2000) empleo los

siguientes impulsores:

Turbina Rushton

Impulsor Scaba 6SRGT Radial (Smith)

Impulsor Scaba 3SHP Axial (similar a un hydrofoil)

Los patrones de flujo tenían siguiente patrón:

Figura 2.1. Flujo en

configuración con tres

impulsores A340.

(Weetman y Gigas, s.f.)

Sin aireación | Con aireación Sin aireación | Con aireación

Figura 2.2. Imagen A emplea

únicamente flujos radiales mientras

que la imagen B emplea una

configuración radial-axial-axial (de

abajo para arriba). (Vrábel et al,

2000)

8

Se reportó que el uso de impulsores radiales en conjunto con los axiales permite que haya

una menor pérdida de energía mecánica mientras que se obtiene la misma retención de

gases. Vrábel y colaboradores suguieren que esto se debe posiblemente a la capacidad de

los impulsores axiales de generar flujos de barrera menos intensos.

Por otro lado, hay impulsores de usos específicos; como los pueden ser para tratamientos

de aguas residuales (Philadelphia Mixing Solutions, 2014):

TALON™ - Low Speed Surface Aerator: puede funcionar sobre una variedad de

niveles de líquido y mantiene su eficiencia de transferencia en un amplio rango de

velocidades.

Impulsor Raptor™: puede generar velocidades verticales y horizontales, emplea a su

vez un difusor de Venturi; ocasionando que haya aireación direccional y que se liberen

burbujas finas, mejorando la transferencia de oxígeno.

Rotor Aero-Brush™: tiene aspas verticales que generan flujo direccional y aireación;

éste último tiene una eficiencia energética 20% mayor que los convencionales.

Figura 2.3. Impulsor TALON™.

Figura 2.4. Impulsor Raptor™.

9

Aunque la aplicación en parte determina significativamente la configuración y/o diseño del

impulsor; también se puede hablar de poder maximizar la eficiencia de transferencia de

energía mecánica, mayor tiempo de retención de gases, disminución de tiempos de

mezclado, etc.; en parte como se vio con el experimento de Vrábel y colaboradores.

3. Hipótesis

Los impulsores que se proponen son los siguientes:

Al verlos por un lado, tienen la siguiente configuración1:

Para el diseño del impulsor B, se basó en los ángulos en los que el impulsor pitched blade

presenta tiempos menores de mezclado, los cuales era a 45° y a 60° (Fořt et al, 2001), pero

las velocidades para que esto ocasione varia. Para ello, se supuso que quizá y una mezcla

entre los ángulos podía ocasionar obtener lo mejor de ambas condiciones y trabajar en un

rango más amplio.

Por otro lado, para el impulsor B; se partió del modelo Rushton ya que es un impulsor

universalmente empleado para la homogenización de sustancias. Una de las problemáticas

1 El dimensionamiento de los impulsores puede ser visto en la sección de Apéndices.

Figura 2.5. Rotor Aero-Brush™.

Figura 3.1. Impulsor A (izquierda) es semejante a un pitched pero tiene otros dos

ángulos de inclinación. Impulsor B (derecha) está basado en la turbina de Smith

pero sin disco y con curvatura.

Figura 3.2. Impulsor A (izquierda) e Impulsor B (derecha).

10

es que en las paredes se presenta la formación de cavidades, ocasionando que haya

acumulación de oxígeno (generando burbujas más grandes) y reduciendo la transferencia de

masa. Al eliminar dichas cavidades (o reducirlas) al darle una forma curva; se obtiene la

turbina de Smith. (Bakker, 2000) Sin embargo, se encontró que si se incrementa el tamaño

de las paletas, la transferencia de masa (en este caso de oxígeno) mejora. (Higbee et al,

2008) Para poder realizar esto, el disco se elimina, permitiendo que dicha paleta aumente de

tamaño; al igual de que se le da una forma curveada a las paletas para aumentar ligeramente

su longitud. De acuerdo a los estudios de Higbee y colaboradores, la eliminación del disco

(cuya función es evitar que se escape el gas inmediatamente) no perjudica significativamente

la transferencia de oxígeno.

La turbina Smith modificada (impulsor B) es de flujo radial mientras que el impulsor de

paletas inclinadas (A) es de flujo radial.

4. Objetivos

Disminución de tiempos de mezclado

Incrementar coeficiente de transferencia de oxígeno (kLa)

Verificación si los impulsores si tienen un flujo axial (Impulsor A) y radial (Impulsor B)

Para dichos objetivos, la caracterización se realiza en fluidos con diferentes viscosidades.2

5. Metodología

Antes de empezar con las caracterizaciones de los impulsores, el sensor de oxígeno disuelto

(O.D) y el potenciómetro deben de estar calibrados para poder evitar tener problemas de

mediciones y variaciones innecesarias en los resultados.

5.1 Determinación de Tiempo de Mezclado

i. El reactor tiene un volumen de 2000 ml (2 l) y se agregan 400 μl de fenolftaleína al

1%. El ácido y la base debe de estar previamente cargado al reactor y conectado a

las bombas peristálticas.

ii. Se especifica un set-point a pH 10 y se activa el sistema de control de pH. El tiempo

de mezclado se empieza a tomar a partir del pH 8; ya que en este punto está en

equilibrio el sistema; es decir, es el punto en el que hay cambios inmediatos por parte

de la fenolftaleína.

5.2 Determinación del Coeficiente de Transferencia de Oxígeno (kLa)

i. La válvula de aire se cierra y solo se permite la entrada de nitrógeno, con la finalidad

de poder eliminar la mayor cantidad de oxígeno disuelto posible. Al final el sistema

debe de quedar con un valor de entre 9-10% de O2 disuelto.

ii. Al alcanzar la concentración crítica de O.D;la válvula de nitrógeno nuevamente se

cierra y se abre la válvula de aire y se deja abierta hasta alcanzar la máxima

2 En realidad, la caracterización solamente fue realizada con un fluido (agua).En parte esto se debe a que los medios tienden a ser base acuosa y sus viscosidad no difieren significativamente al del agua.

11

concentración de oxígeno posible (de preferencia llegar hasta el 100% pero sino hasta

que ya no se presenten cambios).

iii. Los pasos se repiten para las siguientes condiciones3:

a. 0.5 VVM a 100, 500 y 1000 RPM

b. 1.0 VVM a 100, 500 y 1000 RPM

c. 2.0 VVM a 100, 500 y 1000 RPM

5.3 Visualización de Patrón de Mezclado

i. Al reactor, con un volumen aproximado de 2000 ml; se le agregó a su vez brillantina.

Posteriormente se empieza a agitar entre un rango de 300 RPM y 500 RPM.

6. Resultados4

El equipo 1 está conformado por Mario, Berenice, Elena, Alejandra y Natalia; mientras que el

equipo 2 por Marco, Sara, Carlos y Sofía. De aquí en adelante solo son referidos por equipo

1 y equipo 2.

Los impulsores del equipo 2 son referidos de la siguiente manera:

Axial - Impulsor C

Radial - Impulsor D

Ambos impulsores pueden ser vistos en la figura 6.1.

6.1 Tiempos de Mezclado Impulsores

6.1.1 Equipo 1

Los tiempos de mezclados para los impulsores A y B son los siguientes:

3 No se realizó bajo todas las condiciones estipuladas por motivos de tiempo; aunque también se argumentó que ciertas RPM no son utilizados de manera común en el laboratorio de procesos biotecnológicos. 4 No se reportan los patrones de flujo, sin embargo; si se verifico que tuviesen los flujos que teóricamente tenían que generar para ambos equipos.

Figura 6.1. Impulsor C (izquierda) tiene un flujo axial, influenciado por los ángulos

que presenta. Impulsor D (derecha) tiene un diseño semejante al de la turbina

Rushton.

12

Tabla 6.1. Tiempo de Mezclado para el Impulsor A en posición normal e invertida, entre un rango de pH 8.8 - 10.5

RPM Tiempo de Mezclado (s)

Normal 100 23 500 27

Invertido 100 25.3 500 32

Tabla 6.2. Tiempo de Mezclado para el Impulsor B en posición normal e invertida, entre un rango de pH 8.8 - 10.

RPM Tiempo de Mezclado (s)

Normal 100 26 500 22

Invertido 100 23 500 18.8

6.1.2 Equipo 2

Los tiempos de mezclado para los impulsores C y D son los siguientes:

Tabla 6.3. Tiempo de Mezclado para el Impulsor C en posición normal e invertida, entre un rango de pH 8.8 - 10.

RPM Tiempo de Mezclado (s)

Normal 100 55.2 500 90

Invertido 100 30 500 82

Tabla 6.4. Tiempo de Mezclado para el Impulsor C en posición normal e invertida, entre un rango de pH 8.8 - 14.

RPM Tiempo de Mezclado (s)

Normal 100 24.7 500 14.8

Invertido 100 15.5 500 19.1

5 Aunque los valores no son semejantes, los patrones de flujo no presentaban ninguna diferencia si se invertía; cuestión que si ocurría con el impulsor B.

13

Tabla 6.5. Tiempo de Mezclado para el Impulsor D en posición normal, entre un rango de pH 8.8 - 10 y pH 8.8 -14.

RPM Tiempo de Mezclado (s)

Rango 8.8 - 10 100 27.1 500 105

Rango 8.8 - 14 100 25.8 500 23.2

6.2 Comportamiento de Oxígeno Disuelto (O.D)

La temperatura en el biorreactor estaba a aproximadamente 17°C, por lo que la solubilidad

del oxígeno en dicha temperatura es de aproximadamente 9.6 mg/L. (U.S Geological Survey

TWRI, s.f.)

Con la solubilidad, se calcula la cantidad de oxígeno disuelto en el sistema (ya que

originalmente el equipo solamente lo da como un valor porcentual) y se grafica para poder

observar las variaciones con respecto a los RPM y VVM empleados.

6.2.1 Equipo 1

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400 500 600

O.D

(m

g/L)

Tiempo (s)

O.D - 0.5 VVM (Impulsor A - Equipo 1)

100 RPM 500 RPM 1000 RPM

Gráfica 6.1. Variación de O.D a 0.5 VVM con respecto al tiempo para el impulsor A

14

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

O.D

(m

g/L)

Tiempo (s)

O.D - 1.0 VVM (Impulsor A - Equipo 1)

100 RPM 500 RPM 1000 RPM

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300

O.D

(m

g/L)

Tiempo (s)

O.D - 1.0 VVM (Impulsor B - Equipo 1)

100 RPM 500 RPM 1000 RPM

Gráfica 6.2. Variación de O.D a 1.0 VVM con respecto al tiempo para el impulsor A

Gráfica 6.3. Variación de O.D a 1.0 VVM con respecto al tiempo para el impulsor B

15

6.2.2 Equipo 2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

O.D

(m

g/L)

Tiempo (s)

O.D - 1.0 VVM (Impulsor C - Equipo 2)

500 RPM 'Abajo' 500 RPM 'Arriba'

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

O.D

(m

g/L)

Tiempo (s)

O.D - 0.5 VVM (Impulsor D - Equipo 2)

100 RPM 500 RPM 1000 RPM

Gráfica 6.4. Variación de O.D a 1.0 VVM con respecto al tiempo para el impulsor C

Gráfica 6.5. Variación de O.D a 0.5 VVM con respecto al tiempo para el impulsor D

16

6.3 Coeficiente de Transferencia de Oxígeno (KLa)

El coeficiente de transferencia de oxígeno es estimado a partir de la siguiente ecuación

(Erazo, 2001):

𝑑𝐶𝐿𝑑𝑡

= 𝑘𝐿𝑎(𝐶𝑔∗ − 𝐶𝐿)

Al realizar su integración, denotando que 𝐶𝐿 es lo único que varía con respecto al tiempo

e indicando que en 𝑡 = 0, 𝐶𝐿 = 0; se obtiene lo siguiente (Erazo, 2001):

ln (1 −𝐶𝐿

𝐶𝑔∗⁄ ) = − 𝑘𝐿𝑎(𝑡)

De ésta ecuación, 𝐶𝑔

∗ es la solubilidad máxima del oxígeno en el medio (es decir, agua) a

las condiciones de operación, mientras que 𝐶𝐿 son las concentraciones reportadas. Solo se

calcularon los valores de KLa que pueden ser comparados directamente entre sí para poder

ver las características de los impulsores.

Para poder calcular el coeficiente de transferencia, se tiene que utilizar la parte lineal de

las gráficas y se grafican nuevamente, de la cual la pendiente de la regresión lineal representa

el valor de KLa. Por ello, en base a las gráficas 6.1 a 6.6, utilizando los datos a 1.0 VVM y a

500 RPM6:

Impulsor A: 20-60 segundos

Impulsor B: 15-50 segundos

Impulsor C: 10-35 segundos

Impulsor D: 20-65 segundos

6 Cabe mencionar que dichas condiciones son muy cercanas a valores comúnmente empleados a nivel laboratorio.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350

O.D

(m

g/L)

Tiempo (s)

O.D - 1.0 VVM (Impulsor D - Equipo 2)

100 RPM 500 RPM 1000 RPM

Gráfica 6.6. Variación de O.D a 1.0 VVM con respecto al tiempo para el impulsor D

17

6.3.1 Equipo 1

Las correspondientes gráficas con sus valores respectivos de KLa son mostrados a

continuación para los impulsores A y B.

Los valores respectivos de los coeficientes de transferencia de oxígeno para cada

impulsor son:

Impulsor A: 94.68 h-1 (0.0263 s-1)

Impulsor B: 92.16 h-1 (0.0256 s-1)

y = 0.0263x - 0.4437R² = 0.9882

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 10 20 30 40 50 60 70

Ln (

O.D

)

Tiempo (s)

KLa - 1.0 VVM a 500 RPM (Impulsor A - Equipo 1)

Gráfica 6.7. Cálculo de KLa con respecto al tiempo para el Impulsor A.

y = 0.0256x - 0.1671R² = 0.9648

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50 60

Ln (

O.D

)

Tiempo (s)

KLa - 1.0 VVM a 500 RPM (Impulsor B - Equipo 1)

Gráfica 6.8. Cálculo de KLa con respecto al tiempo para el Impulsor B.

18

6.3.2 Equipo 2

Las gráficas para el cálculo de KLa para los impulsores C y D se muestran a continuación.

Los valores respectivos de los coeficientes de transferencia de oxígeno para cada

impulsor son:

Impulsor C - Abajo: 77.76 h-1 (0.0216 s-1)

Impulsor C - Arriba: 171.36 h-1 (0.0476 s-1)

Impulsor D: 59.4 h-1 (0.0165 s-1)

y = 0.0216x + 0.0093R² = 0.9988

y = 0.0476x - 0.2895R² = 0.992

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Ln (

O.D

)

Tiempo (s)

KLa - 1.0 VVM a 500 RPM (Impulsor C - Equipo 2)

500 RPM 'Abajo' 500 RPM 'Arriba'

Linear (500 RPM 'Abajo') Linear (500 RPM 'Arriba')

Gráfica 6.9. Cálculo de KLa con respecto al tiempo para el Impulsor C en diferentes arreglos.

y = 0.0165x - 0.0145R² = 0.9515

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 10 20 30 40 50 60 70

Ln (

O.D

)

Tiempo (s)

KLa - 1.0 VVM a 500 RPM (Impulsor D - Equipo 2)

Gráfica 6.10. Cálculo de KLa con respecto al tiempo para el Impulsor D

19

7. Discusión

Realizando una comparación entre los valores de KLa para cada impulsor:

Tabla 7.1. Comparación de valores de KLa por impulsor a 1.0 VVM y 500 RPM.

Impulsor KLa A 94.68 h-1 B 92.16 h-

C (Abajo) 77.76 h-1 C (Arriba) 171.36 h-1

D 59.4 h-1

A partir de la tabla 7.1, se puede observar claramente que el impulsor C con una

configuración ‘arriba’ es el que tiene la mayor capacidad para poder transferir el oxígeno a

las condiciones establecidas; seguidos por los impulsores A, B, C (abajo) y finalmente D.

Por otro lado, comparando los resultados con los valores obtenidos en la práctica III para

la propela marina y la turbina Rushton a 1.0 VVM y a 500 RPM:

Propela marina: 54.72 h-1

Turbina Rushton: 57.24 h-1

En base a estos coeficientes de transferencia de oxígeno se puede concluir que se

aumentó exitosamente dicho parámetro con los nuevos impulsores. Al observar los

resultados, nuevamente se repite el patrón de que el impulsor axial es mejor que el impulsor

radial para poder solubilizar el oxígeno.

Para la geometría de los impulsores del equipo 1 (en base a los resultados):

El hecho de no tener un disco no perjudica (aparentemente) la transferencia del

oxígeno; sin embargo, esto solo es válido si el impulsor opera alrededor de 400 RPMs

o en valores mayores; de lo contrario, si lo afecta negativamente. Esto se puede ver

claramente en las gráficas 6.1 - 6.3 al ver el comportamiento de ambos impulsores a

100 RPM, denotando que se tardan mucho más en poder obtener la concentración

máxima de O2 en el sistema

Se observó que en el impulsor A, aunque si había un ángulo diferente en las

extremidades (al verlo de lado); la longitud que tenía no era suficiente como para que

tuviese un efecto significante, por lo que quizá y pudo haber presentado una mayor

mejora (o que hubiese empeorado, en todo caso)

Para la geometría de los impulsores del equipo 2 (en base a los resultados):

El impulsor D tiene una semejanza considerable al de la turbina de Rushton, la

diferencia es que se aparean dos ‘paletas’ y forman un ángulo entre ellas. El

coeficiente que ambos presentan es prácticamente similar y podría considerarse que

las variaciones son despreciables. Aunque una mayor cantidad de paletas podría

aumentar la captación de oxígeno (y por ende su disipación), el ángulo que forman

entre ellos puede ser que no facilite la transportación del oxígeno, aparte de que

habría una mayor formación de cavidades (Bakker, 2000)

El impulsor C probablemente funciona mejor bajo la configuración ‘arriba’ (como se

puede ver en la figura 6.1) debido a que se asemeja considerablemente a un impulsor

tipo hydrofoil

20

Tanto en los impulsores C y D, la presencia de un disco ayudo a que se alcanzará la

máxima concentración de O.D fuese ligeramente menor en contraste que los vistos

para A y B a RPMs bajos. Asimismo, se puede observar en las gráficas 6.5 y 6,6 que

las tendencias de las gráficas no están tan alejadas como las vistas en las gráficas

6.1, 6.2 y 6.3

El impulsor A esta basado parcialmente en el impulsor inclinado de cuatro aspas a 45°

mientras que el impulsor C (aparentemente) se basa más en un diseño de un impulsor

hydrofoil. Las características de dichos impulsores son los siguientes:

Impulsor inclinado cuatro aspas a 45°: por lo general, es empleado para dispersiones

líquido-líquido y dispersiones para gas. Produce flujos menos axiales que los vistos

en los de hydrofoil, pero generan un mayor esfuerzo cortante. (Derya Krom Sanayii,

2014)

Impulsor Hydrofoil: las aspas tienden a estar curveadas y a diferentes ángulos,

mejorando significativamente su rendimiento; aparte de que el flujo es más uniforme

y con mejor distribución; el cual le permite que tenga un mejor manejo sobre los gases.

(Martin, 1996)

Debido a estas características, el impulsor C (configuración ‘arriba’) tiene un mejor

rendimiento que el A. Por otro lado, aunque el impulsor B resuelve el problema de cavidades

que presenta el de Rushton y la mayor longitud de las aspas mejora (aparentemente) la

transferencia del oxígeno, aun presenta las mismas limitantes que la turbina de Rushton.

(Hayward Gordon, s.f.) El impulsor D presenta propiedades prácticamente semejantes a las

de la turbina de Rushton.

En cuanto a los tiempos de mezclado de los impulsores, la tabla 6.3 se puede descartar ya

que presenta tiempos de mezclados muy elevados al igual que los valores bajo el rango de

pH 8.8 - 10 en la tabla 6.4 y cambia significativamente con los de la tabla 6.4. Una posible

explicación para esto puede ser debido al control que realiza la consola del biorreactor con

respecto al sistema; ya que no se pone una cantidad exacta de ácido o de base para poder

regular el pH; y por lo general presenta fluctuaciones.

Otra posibilidad puede ser la misma posición del sensor, ya que (estrictamente hablando)

se trata de un promedio de concentraciones, mas no implica que sea la misma en cualquier

punto del reactor. Esto mismo puede explicar porque el aumento de tiempo de mezclado en

la tabla 6.1 al aumentar los RPM.

Haciendo una comparación entre los impulsores B y C (tablas 6.2 y 6.4); se puede

observar que a una velocidad de 500 RPM, el impulsor C tiene una ventaja y considerando

ambas configuraciones.

Por otro lado, el impulsor D tiene mejores tiempos de mezclado que el impulsor A; aunque

la diferencia es mínima. Asimismo, éste último también sufrió del mismo problema que él visto

para los resultados de la tabla 6.3. No obstante, no hay más datos para poder contrarrestar

esto.

Al realizar una comparación entre los resultados de la práctica IV en cuanto a los tiempos

de mezclado (operando a 300 RPM y realizando la medición para cambios de pH de 7.5 hasta

10):

Propela marina: valores entre un rango de 168-187 segundos

Turbina Rushton: aproximadamente 70 segundos

21

Nuevamente, comparando estos resultados indica los impulsores de ambos equipos

tienen tiempos de mezclados superiores. Si se hace una evaluación de rendimiento para

tiempo de mezclado, quedaría de la siguiente manera: C, B, D, A.

8. Conclusiones

Como tal, se lograron los objetivos iniciales estipulados para dicho proyecto, ya que la meta

era aumentar el KLa y reducir los tiempos de mezclado para ambos equipos.

El mejor impulsor fue el C del equipo 2, por la principal característica de que se basan en

un impulsor tipo hydrofoil que tiene un mejor manejo para dispersiones de gas; al igual de

que empleaban un disco para poder evitar que se escapara gas al entrar al sistema. Esta

última característica aunque no perjudica los impulsores A y B; solamente es válida dicha

connotación si no es a velocidades bajas. El impulsor D tiene propiedades muy semejantes

al de una turbina de Rushton.

Por otro lado, sería interesante realizar un análisis en cuanto a la potencia que consumen

dichos impulsores, ya que si se consume menores recursos energéticos para poder obtener

una buena transferencia de oxígeno, entonces es preferible (por lo menos a escala industrial)

emplear éste impulsor.

9. Perspectivas

Mejoras que se pueden hacer a los impulsores y/o sugerencias:

Los ángulos que se agregaron al impulsor A tienen poco efecto sobre su rendimiento,

sería necesario revisar sus condiciones; es decir, alárgalos un poco más

Tanto para el impulsor A y B, sería interesante ver cómo afectaría agregar un disco

en su base pero sin afectar las longitudes de las aspas. Aunque su rendimiento sería

mejor a bajas velocidades, no se sabe bien su respuesta a velocidades elevadas

El impulsor D tendría que ser rediseñado ya que casi no presenta diferencias con

relación al de Rushton

Se tiene que emplear un mejor set-point para el pH ya que de lo contrario se obtienen

resultados erróneos (ver tablas 6.1 – 6.5)

10. Fuentes de Información

Asenjo, J. A. y Merchuck, J. C. (1994). 6. Stirred tank Bioreactors. Bioreactor System Design.

(p.207) EE.UU: CRC Obtenido el 4 de mayo de 2014 de:

http://books.google.com.mx/books?id=jM2jhnWZjhEC&printsec=frontcover&source=gbs_ge

_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false

Bakker, A. (2000). A New Gas Dispersion Impeller with Vertically Asymmetric Blades. The

Online CFM Book. Obtenido el 5 de mayo de 2014 de: http://www.bakker.org/cfmbook/bt6-

book.pdf

Benson, T. (s.f.) Turboprop Engine. NASA. Obtenido el 5 de mayo de 2014 de:

https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/aturbp.html

22

Derya Krom Sanayii. (s.f.) Agitators and Impellers. DKS. Obtenido el 10 de mayo de 2014 de:

http://www.deryakrom.com.tr/en/?page_id=468

Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment. (2014). Extruder. Obtenido el 5 de mayo

de 2014 de:

http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/MaterialsHandling/Mixers/Mixers.html

Erazo E., R. y Cárdenas R., J. (2001). “Determinación Experimental del Coeficiente de

Transferencia de Oxígeno (KLa) en un Biorreactor Batch.” Rev. Per. Ingeniería Química.

Obtenido el 15 de febrero de 2014 de:

http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/ing_quimica/vol4_n2/determinacion_

experimental.pdf

Fogler & Gurmen. (2008). Impeller Types. University of Michigan. Obtenido el 5 de mayo de

2014 de: http://www.umich.edu/~elements/01chap/html/reactors/mixing/impeller.htm

Fořt, I.; Jirout, T.; Rieger, F.; Allner, R. y Sperling, R. (2001) Study of the Blending Efficiency

of Pitched Blade Impellers. Acta Polytechnica – Czech Technical University. Vol. 41 No.

6/2001.

Hayward Gordon. (s.f.) Impeller Technology. Mixers. Obtenido el 10 de mayo de 2014 de:

http://www.haywardgordon.com/usercontent/documents/HG_Impeller_Technology.pdf

Higbee, B.; Binxin, W. y Wyczalkowski, W. (2008). New Impeller for Gas Dispersion. AlChE

Annual Meeting - 2008.

IHS GlobalSpec. (2014). Impellers Specifications. Obtenido el 5 de mayo de 2014 de:

http://www.globalspec.com/SpecSearch/SearchForm/flow_control_flow_transfer/pumps/impe

llers

IMechE. (2004). Centrifugal compressor redesign utilizing carbon fibre composite impellers.

Advanced Materials for Fluid Machinery. (p.77) Reino Unido: The Cromwell Press. Obtenido

el 5 de mayo de 2014 de:

http://books.google.com.mx/books?id=P0vNFlunKMcC&pg=PA77&lpg=PA77&dq=impeller+

design+materials&source=bl&ots=VAdjgKfv5z&sig=Jsssl0LcyjmPcXnoj-

DHOtsfOCw&hl=en&sa=X&ei=2eZmU4S0OeLsyQGm9YDYDg&redir_esc=y#v=onepage&q

=impeller%20design%20materials&f=false

Jakobsen, H. A. (2008). 7. Agitation and Fluid Mixing Technology. Chemical Reactor Modeling

- Multiphase Reactive Flows. (pp. 679-682) Alemania: Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Martin, T. (1996). 2.1.2 Flow patterns and hydrodynamics of axial flow impellers including

hydrofoils. Gas Dispersion with Radial and Hydrofoil Impellers in Fluids with Different

Coalescence Characteristics. (p. 4) Alemania: Herbert Utz Verlag Wissenschaft. Obtenido el

10 de mayo de 2014 de:

http://books.google.com.mx/books?id=WVyPaVcJ8TgC&pg=PA3&lpg=PA3&dq=hydrofoil+tu

rbine&source=bl&ots=Y1dKucHdGE&sig=sjSaG79IUcDjB-

zlCTUsHugKz8U&hl=en&sa=X&ei=nZduU6ScJonfsATNlYHACw&redir_esc=y#v=onepage&

q=hydrofoil%20turbine&f=false

McNally Institute. (s.f.) Open vs closed impeller design pumps. Obtenido el 5 de mayo de 2014

de: http://www.mcnallyinstitute.com/14-html/14-02.htm

Philadelphia Mixing Solutions Ltd. (2014). Advanced Impeller Guide. Obtenido el 5 de mayo

de 2014 de: http://www.philamixers.com/literature/MSL/172M_AdvancedImpellerB.pdf

23

Relandeau, V. (1999). Circulation and mixing times for helical ribbon impellers. Review and

Experiments - Experiment in Fluids. (p. 170-182)

U.S Geological Survey TWRI Book 9. (s.f.) “Table 6.2-6. Solubility of oxygen in water and

various temperatures and pressures.” Obtenido el 9 de mayo de 2014 de:

http://water.usgs.gov/owq/FieldManual/Chapter6/table6.2_6.pdf

Voll, K. (2009). Which Impeller Is Right? Bioprocess International.

Vrábel, P.; Van der Lans, R. G. J M.; Ch. A. M., H., Boon, B. L. y Nienow, A. W. (2000). Mixing in large-

scale vessels stirred with multiple radial or radial and axial-up pumping impellers: modelling and

measurements. Chemical Engineering Science – Elsevier. 55:5881 - 5896.

Weetman, R. J. y Gigas, B. (s.f.) Mixer Mechanical Design – Fluid Forces. Proceedings of the 19th

International Pump Users Symposium. Obtenido el 4 de mayo de 2014 de:

http://turbolab.tamu.edu/proc/pumpproc/P19/17.pdf

Wixi Top E.(2012).Equipamiento para mezcladoras. Impulsor Hydrofoil ZCX.Recuperado el 30 de

enero de 2014 de: http://www.topmixermachine.com.es/hydrofoil-impeller.html

11. Apéndice

11.1 Dimensiones Impulsor A - Axial

Figura 11.1. Dimensiones del impulsor radial

basado en el Pitched Blade Turbine.

24

11.2 Dimensiones Impulsor B - Radial

Figura 11.2. Dimensiones del impulsor axial basado

en el Impulsor Smith y Rushton.