2.16.1 Introducción Biorreactores agitados neumático se aprovechan de la inyección de una corriente gaseosa (a menudo aire) para proporcionar una mezcla y mediar la transferencia de sustancias gaseosas (es decir, O2 y CO2) con la fase líquida. Sin embargo, a diferencia de en los reactores agitados neumáticamente clásicos donde la mezcla líquida es (es decir, la columna, la burbuja) al azar, el diseño específico de los reactores de transporte aéreo (ALRS) hace que el líquido circule entre dos zonas interconectadas conocidos como el tubo ascendente y el tubo de bajada [1]. El tubo ascendente y el tubo de descenso están conectados por una base de reactor específica que permite la circulación de líquido y por un separador gas-líquido en la parte superior. Bajo condiciones de operación típicas, se inyecta aire por debajo de la sección de tubería vertical y la eliminación de gas en el separador genera un gradiente medio de densidad entre el tubo ascendente y zonas de tubos de descenso que causa el caldo líquido circule (Figura 1). La función del separador de gas es apoyar la retirada eficiente de gas-líquido. La fracción de gas introducido en la sección de tubo de descenso depende del diseño y de las variables operacionales. Esta fracción tiene un efecto significativo en la dinámica de fluidos y, en consecuencia, el rendimiento del reactor. La introducción de la energía focalizada para mezclar en biorreactores clásicos genera grandes gradientes de cizallamiento que hacen que las células experimentan estrés mecánico en las zonas de las concentraciones de solutos subóptimas (es decir, O2, CO 2, H +, y toxinas, etc.) y condiciones de temperatura o alta turbulencia y en zonas de baja turbulencia [2]. Por el contrario, la circulación de líquido entre el tubo ascendente y el tubo de bajada (en lugar de inyección de gas) es el principal contribuyente a la dinámica de fluidos en ALRS. Debido a la circulación de líquido es causada por el gradiente entre las densidades promedio del fluido en las dos secciones del reactor, no hay ningún punto focal de la disipación de energía y fuerzas de corte son muy homogéneos dentro de cada sección, provocando menos estrés celular. Los ALRS también supuestamente apoyan mayores tasas de transferencia de masa por la entrada de energía que los sistemas clásicos y eficiencia de la transferencia (es decir, la cantidad de O2 transferido por la entrada de energía) es mucho menos afectada por la entrada de energía en ALRS que en los sistemas clásicos. Las dos ventajas principales de ALRS aquí descritos explican por qué estos sistemas a menudo se prefieren para el cultivo de células sensibles al cizallamiento de los mamíferos y las plantas o durante las aplicaciones de tratamiento de aguas residuales que requieren el uso eficiente de la energía (costes de aireación representan aproximadamente el 50% de los costos de energía durante el tratamiento de aguas residuales domésticas ). Investigación y desarrollo sobre ALRS se ha centrado hasta ahora en demostrar el potencial de este sistema en nuevas aplicaciones o modelar las complejas relaciones entre diseño y parámetros de funcionamiento y la dinámica de fluidos y transferencia de masa. Muchos modelos experimentales y mecánicos que pueden describir el funcionamiento y el rendimiento ALR son por lo tanto disponible [3]. Sin embargo, la validez de estos modelos es demasiado a menudo limitada a aplicaciones específicas o configuraciones del reactor. Por esta razón, sólo se presentan los modelos más relevantes, ampliamente aceptados y genéricos aquí para ilustrar cómo el diseño y los parámetros de funcionamiento influyen en la dinámica de fluidos y las propiedades de transferencia de masa. 2.16.2 Reactor Configuraciones Los ALRS se clasifican comúnmente de acuerdo con su estructura física. Externo (o de bucle exterior) ALRS se construyen utilizando elevador separado y compartimentos conectados por tubos de descenso conductos horizontales cerca de las secciones superior e inferior (Figura 2 (a)). En lugar de ello, el elevador de tubo de descenso y se encuentran físicamente en el mismo
recipiente de ALRS de bucle interno y separados, bien por un deflector de división o una proyecto de tubo concéntrico (Figuras 2 (b) -2 (d), respectivamente). En los reactores de bucle interno, ya sea el proyecto de tubo concéntrico o el anillo puede actuar como un tubo ascendente en función de la ubicación del rociador de gas [3, 4]. Sistemas de circuito externo son menos versátiles en términos de diseño del reactor y hasta ahora han apoyado significativamente menos aplicaciones que ALRS bucle interno. Sin embargo, mientras que la velocidad de circulación del líquido depende principalmente de la entrada de gas en ALRSbucle interno, circulación de líquido se puede regular mediante la instalación de una válvula de control en el conducto que conecta el tubo de subida y tubo de descenso en ALRS externos. ALRS de bucle externo normalmente soportan velocidades de circulación superiores líquidos y las tasas de transferencia de masa más bajas que las de división y el proyecto de tubo ALRS bucle interno [3]. ALRS internalización y bucle externo se forman generalmente como recipientes cilíndricos Aunque las configuraciones rectangulares y cuadrados se han utilizado en la industria. Diseños rectangulares o cuadradas pueden ser más fáciles de fabricar pero contienen un mayor número de zonas potencialmente estancadas. En la práctica, los sistemas de transporte aéreo cilíndricos están diseñados con altura total a las relaciones de diámetro (H / D) de aproximadamente 10, tubo de descenso de tubo elevador relaciones de área de sección transversal (Ad / Ar) que varía de 0,5 a 1. Estos reactores son típicamente funcionan a gas superficial velocidades en el tubo ascendente (UGr) que oscila de 0,01 a 1 ms-1 y velocidades de líquidos superficiales inducidas en el tubo ascendente (ULR) de hasta 2 m s -1 [3, 5]. Independientemente de la configuración ALR seleccionado, el burbujeador de gas está óptimamente situado justo dentro de la tubería de retorno en lugar de la práctica convencional de fijación en la base del reactor [3]. En el diseño convencional mostrado en la Figura 1, el fluido circulante que fluye desde el tubo de bajada puede forzar la distribución de gas hacia una de las paredes de los tubos ascendentes, que promueve la coalescencia de las burbujas y la canalización. Requisitos especiales de proceso se han traducido en el desarrollo de configuraciones de transporte aéreo no convencionales [6]. Por lo tanto, los reactores de bucle externo diseñado con un elevador basan en toberas convergentes y divergentes (variando Ad / Ar) han apoyado significativamente más altos coeficientes de transferencia de gas-líquido que ALRS de bucle externo convencionales como resultado de una mayor turbulencia en el tubo ascendente (Figura 3 ( a)). ALRS-bucle interno con el proyecto de tubos perforados pueden apoyar los tiempos de mezcla significativamente más bajos y los coeficientes de transferencia de masa más altos en medios de baja viscosidad en comparación con sistemas no perforadas debido a un movimiento de flujo radial mejorada a través de las perforaciones (Figura 3 (b)). ALRS Cascade permiten el establecimiento de entornos de cultivo secuenciales (es decir, aeróbica / anaeróbica) sin la necesidad para la interconexión de tuberías o bombas entre cada etapa de tratamiento (Figura 3 (c)). Airlift de lecho empacado reactores híbridos (Figura 3 (d)) combinan la facilidad de control de pH y oxígeno disuelto de los sistemas de transporte aéreo con el medio ambiente protección de lechos de relleno biofilm. La instalación de mezcladores estáticos en el tubo ascendente de burbujas de gas ALRS promueve la ruptura y posteriormente aumenta las zonas interfaciales de gas-líquido disponibles para la transferencia de masa (Figura 3 (e)). Asimismo, la instalación de promotor de flujo helicoidal deflectores en la parte superior de la tubo de descenso puede mejorar la mezcla radial y la transferencia de masa sólido-líquido y disminuir la entrada de energía mínimo para la fluidización sólido hasta cuatro veces [7]. Entrada 2.16.3 Potencia
Independientemente de la configuración utilizada, el rendimiento ALR se rige principalmente por la fuente de alimentación específica para el reactor. La entrada de energía en ALRS lotes se utiliza principalmente para la expansión isotérmica del gas desde la presión hidrostática en la base del reactor a la presión en el espacio de cabeza ALR. Esta entrada de energía se transmite a la fase líquida, lo que provoca la circulación de líquido macroscópica [6]. La energía necesaria para la inyección de chorro de gas en el sistema a través del rociador de gas se puede excluir del cálculo de entrada de energía específica, ya que nunca excede de 1,5% de la potencia total para la mayoría de los diseños de rociadores y las tasas de flujo de gas [3]. Por consiguiente, la entrada de energía específica en un ALR se calcula a menudo como:
donde PG es la entrada de potencia debido a la introducción de gas, VL es el volumen de la fase líquida en el aire,? L la densidad de la fase líquida, g la aceleración de la gravedad, y UGr la velocidad superficial del gas en el tubo ascendente calculado como: donde Qm es la tasa de flujo de gas molar, hL la altura estática del líquido-gas libre, R la constante universal de gas, T la temperatura absoluta en la fase de gas, y Ph la presión del espacio de cabeza. En muchas situaciones prácticas (medios altamente turbulento), el tamaño máximo de burbuja de gas estable en la dispersión se ha correlacionado con la entrada de potencia real como: 2 3 3 5 6 7 = 6 σ 7d max α 6? ? 2 = 3 7 ½3? 4 5 PG 2ρ1 = 3 L VL donde σ es la tensión superficial del medio de cultivo. Como regla general, la entrada de energía específica en ALRS no exceda normalmente 23kWm-3, los valores que pueden ser uno o dos órdenes de magnitud inferiores a las registradas en los reactores de tanque agitado convencionales para las mismas aplicaciones biotecnológicas o ambientales. Estas entradas de alimentación pueden ser donde se requiere baja tensión de cizallamiento [6] aún más baja (0,1 kW m-3) en las aplicaciones. Hidrodinámica 2.16.4 Gas-Liquid 2.16.4.1 Gas Atraco El general (εG), atracos riser (εGr), y bajante (εGd) de gas tiene influencias cruciales en circulación del líquido y la transferencia de masa en ALRS [3, 6]. Estas variables se definen como la fracción volumétrica de gas en la dispersión de gas-líquido-sólido en el volumen de control analizadas (reactor, vertical, o tubo de bajada). La retención global de gas por lo tanto se puede expresar como: donde VG y VS representan el volumen de las fases de gas y sólidos (sólidos en suspensión), respectivamente. La retención global de gas también puede estimarse a partir de la columna individual y tubos de descenso de retención ups como sigue: La retención de gas influye en el volumen total del reactor, el área de contacto gas-líquido disponible para la transferencia de masa (y por lo tanto las tasas globales de transferencia de masa volumétrica) y el tiempo de residencia del gas en la fase líquida [3, 8]. El volumen de un ALR depende de la retención de gas global máximo (típicamente 0,3), que corresponde al volumen máximo de fase de gas que puede ser acomodado dentro del reactor [3]. Propiedades de los fluidos tales como la tensión superficial, la densidad, la viscosidad, y la fuerza iónica, y las variables de diseño ALR como la relación de Ad / Ar o hL afectan atracos de gas y distribuciones de tamaño de burbuja. Por ejemplo, εG disminuye a aumentar Ad / alturas Ar o reactor como resultado del aumento de las velocidades de circulación de líquido [3, 4]. La
presencia de sólidos también se conoce para disminuir εG. Los valores individuales de los atracos de subida y de gas de tubo de descenso son de suma importancia, ya que su diferencia constituye el motor de la circulación de líquido [4]. Esta diferencia se determina por la geometría del reactor (eficiencia de separación gas-líquido y la velocidad del líquido en el tubo ascendente y el tubo de bajada); las propiedades del fluido (viscosidad y tensión interfacial); y la velocidad superficial del gas (entrada de alimentación). A pesar de presentar variaciones radiales y axiales, valores medios de εGr y εGd se reportan comúnmente para fines de diseño y operación. Fuertes evidencias empíricas apoyan la existencia de una correlación lineal entre εGr y εGd [3]. La mayoría de las numerosas correlaciones que se han desarrollado para predecir los atracos generales e individuales de gas son específicos de la combinación de líquido reactor particular utilizado para los datos de ajuste. Correlaciones generales capaces de predecir atracos de gas en virtud de la amplia gama de configuraciones ALR encontraron y las condiciones operativas utilizadas son por lo tanto crucialmente necesarios [4, 6]. 2.16.4.2 Liquid velocidad de circulación En ALRS, burbujeo de gas en el tubo ascendente genera una diferencia en las densidades aparentes de los fluidos entre el tubo ascendente y el tubo de bajada que impulsa la circulación del líquido en general a lo largo de un camino definido (flujo ascendente en el tubo ascendente y flujo descendente en el tubo de bajada). La velocidad de circulación del líquido está por lo tanto rige por la geometría del reactor, las propiedades del fluido, y la velocidad del gas. Es una variable operativa clave que determina los atracos parciales de gas en el medio de cultivo (y por lo tanto las tasas de mass y de transferencia de calor), el grado de mezcla, el campo de esfuerzo cortante, y los regímenes de flujo de las fases de gas y sólidos . Las velocidades superficiales de líquido y gas en el tubo ascendente son a menudo empíricamente correlacionados con expresiones matemáticas tales como [3]: donde ω es una función de la geometría ALR y las propiedades del fluido (por ejemplo, 0.166 <ω <1 [3]) y ν es una función del régimen de flujo y la geometría del reactor (por ejemplo, 0.237
algoritmo para la predicción simultánea de εGr y εGd y la velocidad de circulación del líquido debe ser implementado para fines de diseño ALR [3]. Basado en los saldos de momentum, Heijnen et al. [9] desarrolló un modelo general capaz de predecir la mayoría de las variables macroscópicas de ALRS bucle interno. La diferencia de presión (? P) de conducción de circulación de líquido se describe como una función de las diferencias en la bodega de gas ups para las fases gaseosa y sólida, ((εGr - εGd) y (εSr - εSd), respectivamente) en lugar de en atracos individuales, que simplificado enormemente los cálculos del modelo. Esta diferencia de presión se describió como:
donde ρS es la densidad de los sólidos suspendidos. Las observaciones empíricas, tales como la disminución de la retención de gas UPS al reducida circulación de líquido mediada por la presencia de sólidos o el incremento en la URL en alturas cada vez mayores del reactor se describen bien por este enfoque matemático [7, 8].
2.16.4.3 separadores de gas-líquido La extensión de la retirada de gas de la dispersión de recirculación de gas-líquido influye profundamente velocidad del líquido de circulación (y por lo tanto, la acumulación de gas, la transferencia de masa, suspensión de partículas sólidas, tensiones de cizallamiento, etc.) y la naturaleza de las reacciones bioquímicas que ocurren en las diferentes zonas de los ALRS [1]. La velocidad de circulación del líquido se puede suponer que será proporcional a (εGr - εGd) y 0,5 εGd se determina en gran medida por arrastre de gas en el tubo de descenso. Separación gas-líquido está regida por (1) la distancia entre la salida del tubo ascendente y la entrada del tubo de descenso en la región de la cabeza de ALRS y (2) las diferencias entre la velocidad superficial de líquido tubo de bajada en la entrada del tubo de bajada (ULD ) y la velocidad de subida de burbujas (Ub) [6]. La conexión horizontal entre el elevador y el tubo de descenso en ALRS de bucle externo a menudo es compatible con una separación gas-líquido más eficiente que en ALRS de bucle interno. Esto normalmente induce mayores velocidades de circulación de líquido que en los sistemas de bucle interno [3] y casi completa separación gas-líquido, por tanto, puede ser necesaria para permitir que las velocidades de circulación de alta líquidos. La separación completa de gas-líquido también se puede utilizar ventajosamente para proporcionar diferentes condiciones de crecimiento (es decir, aeróbica / anaeróbica) en cada sección ALR. Por ejemplo, la combinación de un tubo de descenso libre de gas con largos tiempos de residencia del líquido en el tubo de descenso puede resultar en el agotamiento total de oxígeno disuelto en esta sección. Independientemente de la transferencia de la aplicación, el oxígeno siempre debe ser optimizado cuidadosamente para evitar cambios perjudiciales (por ejemplo, de aeróbico a fermentativa) en las vías biológicas que impulsan la conversión del sustrato. [1]. 5a configuración impone una caída de presión más alta en la sección de conexión y soporta una eficiencia de retirada de gas inferior a configuraciones 5b y 5c. La separación completa de gas-líquido se puede lograr en configuraciones 5b y 5c si todas las burbujas de gas alcanzan la superficie superior del líquido en la sección de conexión antes de que el fluido líquido circulante entra en el tubo de descenso. Esto da como resultado el siguiente criterio para la retirada de gas completa:
donde x es la altura del líquido en el conducto de conexión, l es la distancia entre el tubo ascendente y el tubo de descenso y ULH la velocidad del líquido en el conducto de conexión (Figura 5 (b)). El criterio de continuidad para líquidos que fluyen en un sistema cerrado en el presente documento es satisfecha ya que el líquido que sale del tubo ascendente entra directamente el tubo de bajada (ULR Ar = ULdAd = ULHx W, donde W es la anchura del conducto separador de gas-líquido). Por lo tanto, la velocidad de subida de las burbujas de gas que se excluirán de la bajante debe satisfacer la siguiente ecuación en la máxima prevista ULR:
Si la longitud del conducto de separación gas-líquido no puede satisfacer la desigualdad (ecuación 11), debido a limitaciones de espacio, el área del tubo de bajada se puede ampliar en su entrada con el fin de reducir la velocidad del líquido por debajo de la velocidad de ascenso de las burbujas más pequeñas que ser excluidos entren en el tubo de descenso. En Split y el proyecto de tubo ALRS, separación gas-líquido también se puede mejorar mediante la reducción de la velocidad del líquido hacia abajo a la entrada de tubo de descenso (Figuras 6 (a) -6 (c)). Así, el área mínima de la entrada de tubo de descenso para la retirada de gas eficiente (Ade) en estas configuraciones ALR se puede calcular como sigue:
Deflectores horizontales y verticales en ALRS-bucle interno también pueden aumentar el tiempo de retención del líquido que circula en el separador de gas-líquido y permitir que se desenganche de gas más eficiente. Ejemplos de tales configuraciones de separación se muestran en las Figuras 6 (d) -6 (f). Más fácil en el lugar donde se debe preferir la limpieza / esterilización diseños que generan volúmenes muertos inferiores y permitiendo (Figura 6f)
2.16.4.4 Destaca hidrodinámico Shear El campo de baja y homogénea del esfuerzo cortante establecido en el bucle de líquido que circula de ALRS es una ventaja importante de estos sistemas en comparación con los reactores convencionales. En los sistemas de tanque agitado, la energía necesaria para el movimiento del fluido se introduce focalmente por el impulsor. Dado que el impulso se transfiere directamente desde el agitador a la líquida, el campo de esfuerzo cortante puede presentar gradientes de Sharp (el gradiente de esfuerzo cortante en las proximidades de una turbina de hoja plana puede ser de hasta 14 veces mayor que el gradiente de cizallamiento media en el medio de cultivo [4]). Gradientes de alta cizalla de estrés pueden dañar las células y las influencias morfología y el metabolismo microbiano (especialmente en el caso de los hongos). En ALRS, el movimiento de fluido suave creado por la diferencia entre el elevador de tubo de descenso media y atracos de gas reduce la aparición y la magnitud de los gradientes fuertes de fuerzas mecánicas fuertes. La contribución directa de inyección de gas para el movimiento de fluido es, en efecto pequeño en comparación con el efecto indirecto sobre las densidades globales de dispersión en el tubo ascendente y descendente. El enfoque más común para cuantificar las tasas de cizallamiento en ALRS se basa en expresiones empíricos obtenidos para reactores de columna de burbujas. La velocidad de cizallamiento media (γ) se considera como una función de la velocidad superficial del gas por área de sección transversal del reactor (UG) como:
donde Ω es una constante empírica que por lo general oscila 1500-5000 m-1. Este enfoque, sin embargo ha sido criticado porque se basa en la película coeficientes de transferencia de calor en las interfases líquido-sólido y descuida las propiedades de transporte impulso del fluido [3, 6]. Hay, por lo tanto, todavía una falta de correlaciones robusta capaz de describir el campo de cizallamiento en ALRS y otros tipos de biorreactores. 2.16.5 Transferencia de Masa 2.16.5.1 Gas / masa líquida Transferencia Muchos bioprocesos se limitan, especialmente a gran escala, por la transferencia de sustratos poco solubles en agua a partir del gas a la fase líquida. La transferencia de masa puede ser evaluada por medio del coeficiente volumétrico de transferencia de masa (KLa), la determinación de que es útil en el diseño y optimización. La tasa de transferencia de masa (ng / l) en condiciones perfectamente mezclado se puede expresar como:
? Donde C * es la concentración de saturación de la fase líquida del sustrato de transferencia en equilibrio con la fase gaseosa y CL es la concentración de sustrato disuelto en la fase de líquido a granel en el tiempo t. El valor de KLa puede ser considerado como el producto del coeficiente de transferencia de masas KL por el área interfacial específica a. Los valores de KL y un dependerá de estática (es decir, la densidad, difusividad, y la tensión superficial) y la dinámica de propiedades de la fase líquida. Mientras que el coeficiente de transferencia de masa KL varía sólo dentro de un rango limitado, el área interfacial específica es más sensible a cambios en las variables de funcionamiento y las propiedades del fluido [2]. Por lo tanto, el área interfacial específica es el principal responsable de los cambios en la tasa de transferencia de masa causadas por variaciones en la turbulencia, el tamaño de la burbuja, y propiedades del líquido. Una estrategia común para estimar un consiste en definir un diámetro de burbuja media (dB), que puede estar relacionado con la medición de retención de gas (εG). Entonces, para una población de burbujas con un diámetro homogéneo, la siguiente ecuación se puede utilizar:
