Dimensionamiento Biorreactor y Potencia

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA INGENIERÍA DE REACTORES Y BIORREACTORES GRUPO: 7AV2 ALUMNO: FABIAN OCTAVIO RUIZ SORIANO

DIMENSIONAMIENTO DEL BIORREACTOR Y CÁLCULO DE POTENCIA

De acuerdo con los parámetros que se muestran en la tabla 1, el volumen de operación, VL, necesario para degradar el sustrato es de 15.1 m3. Tabla 1. Parámetros obtenidos para el biorreactor de tanque agitado Parámetro Csat F Ki Kla Ks μmax So V Xo Yo2s Yxs

Valor 7 1000 99.4 75 18.5 0.57 800 15100 20 0.5 0.5

El volumen de operación, VL, equivale al 70% del volumen del tanque, entonces, el volumen del tanque sería:

El diámetro del tanque sería:

Como:

√

√

√

La altura del líquido de operación, HL, dentro del tanque es:

Se utiliza un agitador tipo “Rushton” de 6 aspas planas. Las dimensiones del agitador son: 

Diámetro agitador Da:



Ancho de aspa, L:



Alto de aspa, W:



Altura desde el fondo del tanque hasta el centro del agitador, E:

Se colocan 4 deflectores, o baffles, de ancho J:

Calculo de la potencia de agitación sin aireación y con aireación Para calcular la potencia de agitación sin aireación se tiene:

De la ecuación anterior se despeja la potencia P: (

)

Se toman las propiedades del agua: densidad, viscosidad. Para conocer Np se utiliza la siguiente correlación gráfica, donde la línea 1 corresponde al tipo de agitador utilizado en este caso:

El número de Reynolds del proceso de agitación para este diseño, N’Re, es: (

)

Las velocidades de agitación empleadas serán 100, 200, 300, 400 y 500 rpm. En la tabla 2 se presentan los datos correspondientes:

Tabla 2. Datos del cálculo de la potencia y potencia volumétrica sin aireación rpm

rps 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00

NʹRe 1.67 3.33 5.00 6.67 8.33

Np 1700.17 3400.33 5100.50 6800.67 8500.83

3.75 4.00 4.20 4.50 4.80

P/V P (W) P (hp) (kW/m³) 18065.97 0.024 1.20 154162.96 0.207 10.21 546315.00 0.733 36.18 1387466.67 1.861 91.89 2890555.56 3.876 191.43

Se grafica la potencia volumétrica sin aireación en función de la velocidad de agitación:

Potencia volumétrica (kW/m³)

P/V sin aireación en función de rpm 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

Veocidad de agitación (rpm)

Para calcular la potencia de agitación con aireación:

(

)

Donde: Pg: potencia con aireación Pl: potencia sin aireación Qg: el caudal volumétrico del gas V: volumen del líquido

Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 3

(

)

500.00

600.00

P/V (Hp/m³) 0.00160443 0.01369112 0.0485179 0.12322007 0.25670849

Tabla 3. Potencias con aireación para las velocidades de agitación y flujos de aireación

rpm

rps

100 200 300 400 500

vvm 1

0.5

1.67 3.33 5.00 6.67 8.33

Pg/V Pg (kW) (kW/m³) 9.047 0.599 69.580 4.608 232.026 15.366 564.385 37.376 1137.098 75.304

Pg 7.608 58.510 195.110 474.589 956.181

2

Pg/V (kW/m³) 0.504 3.875 12.921 31.430 63.323

Pg 6.397 49.201 164.067 399.080 804.049

Pg/V (kW/m³) 0.424 3.258 10.865 26.429 53.248

Graficando la potencia volumétrica contra la velocidad de agitación para los diferentes flujos de suministro de aire (vvm):

Potencia volumétrica (kW/m³)

P/V en función de rpm a 0.5 VVM 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0.000 0

100

200

300

400

Velocidad agitación (rpm)

500

600

Potencia volumétrica (kW/m³)

P/V en función de rpm a 1.0 VVM 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0.000 0

100

200

300

400

500

Velocidad agitación (rpm)

P/V en función de rpm a 2.0 vvm Potencia volumétrica (kW/m³)

60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0.000

Velocidad agitación (rpm)

600