INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ZACATEPEC Ingeniería Bioquímica
Materia:
INGENIERÍA INGENIERÍ A DE BIORREACTORES Grupo:
Profesor:
WA
Hernández Castro Francisco Javier
TÉCNICA FOTOGRÁFICA Y DE TRANSMISIÓN DE LA LUZ APLICADAS AL ÁREA INTERFACIAL Y DIAMETRO DE BURBUJA ‘’
Práctica No. 01
Alumno (a): Hernández Castro Yesenia
Grupo: WA Fecha de entrega: 08-01-2018
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Diámetro de burbuja La fase gaseosa en la mayoría de los birreactores es en forma de burbujas. Una burbuja puede ser definida como un cuerpo auto-contenido de un gas o mezcla de gases, separado del medio que la rodea por una interface reconocible. Un ejemplo se muestra en la figura 1. El mecanismo de la transferencia del oxígeno puede ser apreciado por la consideración del efecto del tamaño de la burbuja sobre el parámetro compuesto k La. Las burbujas grandes ascienden más rápidamente que las burbujas pequeñas pero tienen una menor área interfacial. El movimiento más rápido de las burbujas grandes estimula la transferencia de masa, así que tienden a tener un mayor coeficiente de transferencia de masa k L , pero es contrabalanceado por el bajo valor del área interfacial específica a.
Figura 1. Transferencia de gas desde una burbuja emergiendo en una columna de agua estática.
La transferencia de masa global obtenida es entonces determinada por la cantidad de tiempo que la burbuja permanece en contacto con el líquido. Las burbujas grandes, de ascenso rápido, tienden a tener un tiempo de contacto menor que las pequeñas, de movimiento lento; así que la eficacia del sistema de disolución de oxigeno depende de la habilidad para crear y mantener burbujas pequeñas en el líquido. El mantenimiento de burbujas pequeñas depende a su vez del equilibrio que se establezca entre la coalescencia del líquido durante un proceso de fermentación y el rompimiento de las burbujas debido a los esfuerzos de corte prevalecientes en el biorreactor.
Distribución del diámetro de burbuja La caracterización completa de la dispersión gas-líquido en el seno de un biorreactor, debe incluir información relativa al diámetro de las burbujas por ser este un parámetro constitutivo del área interfacial específica. En los biorreactores generalmente el tamaño de las burbujas no es uniforme, sino que presenta una amplia dispersión. La principal causa de esta dispersión son la coalescencia del medio de cultivo y los efectos cortantes generados por gradientes de velocidad de la dispersión gas-líquido. Ambas causas son influenciadas por las propiedades físicas del líquido, por las condiciones de operación y por el diseño del biorreactor, incluyendo el tipo del agitador y del difusor. Los diámetros de burbuja se representan mediante un diámetro promedio de burbuja, que puede calcularse de distintas formas de acuerdo a los fines que se persigan. Cuando el propósito es geométrico, se calcula el promedio aritmético. Cuando el volumen o el área son las dimensiones características, se eligen respectivamente los diámetros promedio de volumen o un área igual al valor promedio de la distribución de burbujas, respectivamente.
Métodos de determinación del diámetro de burbuja Existen diferentes métodos para determinar el tamaño de las burbujas. La dispersión gas-líquido puede ser fotografiada a través de la pared transparente del biorreactor o de una mirilla, o se pueden usar diferentes tipos de sensores. Se utilizan tamaños y distribuciones de burbujas precisas y representativas para caracterizar procesos bioquímicos que contienen dispersiones de gas en líquido, específicamente procesos para productos de fermentación
industrialmente importantes. La cuantificación de tamaños y distribuciones de burbujas durante la fermentación es importante para establecer las características de transferencia de masa (basadas en el área interfacial gaslíquido) cuando el transporte de oxígeno a las células a través de las interfaces gas-líquido se convierte en un factor limitante. En estas situaciones, hay una influencia directa de los parámetros del biorreactor que afectan el tamaño de la burbuja, como la agitación, en los rendimientos del cultivo. Por lo tanto, las mediciones de tamaños y distribuciones de burbujas son útiles para optimizaciones de procesos bioquímicos.
La aplicación directa de las mediciones de burbujas en la fermentación se basa en vincular el tamaño de burbuja con los parámetros operacionales, como la agitación y / o la tasa de flujo de aire, que influyen en los coeficientes de transferencia de masa volumétrica gas-líquido. Dichas mediciones pueden confirmar que las condiciones de agitación / aireación seleccionadas no conducen a la inundación del impulsor y pueden cuantificar los cambios de distribución de burbujas para fermentadores geométricamente similares con escalado ascendente y fermentadores diferentes de escala similar que poseen diferentes condiciones operativas o geometrías Los sistemas de medición de burbujas históricos y actualmente disponibles que utilizan métodos fotográficos se han resumido previamente, y las referencias citadas en el presente describen varias aplicaciones del análisis de burbujas en soluciones claras. La exactitud, la representación y la simplicidad de las mediciones del tamaño de burbuja mejoran cuando estas mediciones se realizan en línea utilizando muestras de caldo.
Método fotográfico En este método se fotografía la dispersión gas-líquido a través de una ventana plana que evita distorsiones ópticas. La medición de las burbujas es manual o usando un software de análisis digital de imágenes. Un valor promedio confiable debe basarse en una muestra de al menos 500 burbujas, para tener un valor promedio del diámetro de burbuja que sea reproducible sin diferencia significativa. Este método es confiable para burbujas esféricas, que son las que tienen un diámetro menor a 1 mm. Las burbujas cuyo diámetro está en el intervalo de 1 a 4 mm, tienen generalmente forma de oblato elipsoide más difíciles de caracterizar. Las burbujas mayores a 5 mm de diámetro tienen
formas irregulares, todavía más difíciles de caracterizar, otra limitante del método fotográfico es que generalmente se limita a la medición de burbujas en las zonas visualmente accesibles del biorreactor. El proceso fotográfico es simple pero tedioso, principalmente por el conteo de las burbujas.
Figura 2. Ejemplo de la aplicación del método fotográfico. Gas-líquido experimental. (1): Compresor de aire (2): rotámetro (3): Lámpara halógena (4): placa de plexiglás (5): columna de burbujas (6): la cámara (7): procesamiento de imágenes.
Figura 3. Fotografía procesada mediante un software tomada de las burbujas en la columna.
Método de transmisión de la luz Las distribuciones de frecuencia de tamaño de burbuja se miden más fácilmente por medio de fotomicrografía usando un microscopio de baja potencia. Los aumentos lineales entre 20 y 40 son usualmente suficientes. La capa de burbujas de espuma observada puede ser una sección transversal obtenida cortando una espuma congelada, o el plano de contacto entre la espuma y la pared transparente de un contenedor o columna, o, finalmente, una de las capas superiores de una capa de espuma fuertemente iluminada. Los diámetros de burbuja medidos en las fotomicrografías con la ayuda de un comparador se asignan a un número de grupos de tamaños sucesivos que tienen un intervalo de 25 o 50 x 10 ^ - 4 cm. Los diversos promedios pueden calcularse contando el número de burbujas en cada grupo de tamaño y asignando el mismo valor promedio de diámetro a todas las burbujas en un grupo. Si es necesario, las funciones de distribución de frecuencia integral y diferencial pueden construirse a partir de los mismos datos experimentales, pero debe tenerse en cuenta que la precisión de los diámetros de burbuja medidos suele estar limitada como resultado de la distorsión de burbuja y la nitidez insuficiente de los contornos externos. En el caso de espumas de baja densidad con burbujas poliédricas, se puede utilizar la misma técnica fotomicrográfica para estimar un valor promedio de la sección transversal de los bordes de la meseta. Por ejemplo, los espesores de las paredes de burbujas en espumas poliédricas pueden estimarse más o menos con precisión a partir de su color cuando se observan en luz blanca. Los colores se deben a la interferencia de los efectos de luz en las interfaces gas-líquido de una pared de burbujas. La intensidad de esta luz reflejada varía como una función periódica de la relación de espesor de pared a longitud de onda, de acuerdo con la conocida expresión derivada por Lord Rayleigh. Este método de estimación de espesor se ha utilizado de forma estenográfica en el estudio de lámina líquida aislada única y debería proporcionar valores razonablemente precisos para espesores de entre 10 ^ -5 y 10 ^ -4 cm. Se pueden obtener valores más precisos utilizando luz monocromática y mediante comparando las intensidades del incidente y la luz reflejada. Una revisión detallada de los diversos métodos experimentales utilizados para medir el estado de las láminas líquidas ha sido dada por Sheludko. En el caso de paredes de burbujas muy curvadas, los valores locales de espesor pueden evaluarse observando los efectos de interferencia en la luz
transmitida, como ha demostrado Princen y Manson que tabularon los colores observados en la luz diurna transmitida en función del grosor de la pared de una simétrica burbuja que tiene un eje de revolución normal al haz de luz. Sin embargo, no es obvio que el último método sea aplicable a un conjunto de burbujas tal como se encuentra en una espuma real. Clark y Blackman midieron la atenuación de la luz transmitida a través de una capa de burbujas de espuma, y descubrieron que la relación entre la intensidad de la luz transmitida y la incidente disminuía con un tamaño de burbuja promedio decreciente, para una capa de espuma de un grosor determinado. La interpretación teórica de estos resultados, presentada por los mismos autores, ha sido criticada. De hecho, uno podría esperar que la relación general entre la transmisión de la luz y el grado de dispersión de las burbujas de gas sería una función bastante compleja de varios parámetros estructurales (espesor de paredes burbujeantes y su orientación en el espacio, por ejemplo) que han sido descuidados en el análisis teórico simplificado publicado por Clark y Blackman. De acuerdo con Chang. Se ha investigado una técnica de transmisión de luz modificada en un estudio no publicado de Stenuf, pero aparentemente sus resultados no han dado lugar a ningún desarrollo adicional de este método experimental.
Referencias 1. Lemlich, Robert. (1972). Adsorptive bubble separation techniques. Academic Press, INC.16-18 pp. 2. Maedeh, Asari; Faramarz, Hormozi. (2014). Determinación experimental del tamaño de burbuja en una solución de agentes tensoactivos en la columna de burbujas. Diario superior de ingeniería química. 5 pp. 3. Ahmed, T.; Semmens, M. (2003) Gas transfer from small spherical bubbles in natural and industrial systems. Journal of Envionmental Systems 29 (2). 101-123 pp. 4. Shah Y.T.; Kelkar, B.G.; Godbole, S.P.; Deckwer, W.D. (1982). Desing parameters estimation for bubble columns reactors. A.I.Ch.E. Journal 28. 353-379 pp. 5. Akita, K.; Yoshida, F. (1974) Bubble size, interfacial area, and liquidphase mass transfer coefficient in bubbñe columns. Industrial and Engineering Chmistry, Process Design and Development 13 (1). 84-91 pp. 6. Pohorecking, R. Moniuk, W.; Bielsky, P.; Zdrójkowsky, A.(2001). Modelling of the coalescence/redispersion processes in bubble columns. Chemical Engineering Science 56.
