Fundamentos de los fenómenos de transporte en bioprocesos industriales. Viscosidad Aplicaciones

Transcripción

1 Fundamentos de los fenómenos de transporte en bioprocesos industriales Viscosidad Aplicaciones

2 Viscosímetro de cono y plato Viscosímetro rotatorio de cilindro coaxial

3 Dificultades para determinar la viscosidad de caldos de fermentación al usar V. rotatorio de Cilindros concentricos ó V. de cono y plato La suspensión es centrifugada Destrucción de partículas Escape de sólido Interferencia de partículas grandes

4 Viscosímetro de rodete o turbina Suposición: régimen Laminar Re = ND µ 2 ρ 10 & γ = kn τ = 2 π Ω 64D 3 k calibración k ( k 10)

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7 Otros factores que afectan la V. del caldo Concentración celular Morfología celular Flexibilidad y deformación celular Presión osmótica Concentración sustrato/producto polimérico

8 Concentración celular Ecuación de Vand ( ,5x + 7,25x ) µ = µ L x : fracción en volúmen de sólidos Suspensiones de levaduras y esporas x<14% µ L : viscosidad del líquido de la suspensión

9 Relación entre viscosidad aparente y concentración celular para suspensiones de células vegetales que forman agregados Agregados celulares (Células vegetales) Ec. Vand no aplicable

10 Morfología celular Crecimiento filamentosos estructura del caldo Ej: micelios filamentosos, células hifales (ramificaciones) Comportamiento: pseudoplástico, plástico de Bingham/Cason Células en forma de pellet Newtoniano

11 Presión osmótica Π rigidez celular, flexibilidad hifal µ Concentración sustrato/producto polimérico - Viscos.producto-polímero >> efecto de concentración celular Ej: dextrano, alginato, goma xántica, exopolisacárido Aumenta la viscosidad durante la fermentación - Viscos.sustrato-polímero Ej: sustrato= almidón, caso: fermentación de micelios Disminuiría la viscosidad durante la fermentación por consumo del sustrato polimérico: No Newton. Newtonia Sin embargo tiene mayor peso el efecto de concentración celular Aumenta la viscosidad durante la fermentación

12 Aplicaciones P1- Reología en caldos de fermentación El hongo Aureobasidium Pululans se utiliza para producir un polisacarido extracelular por fermentación de sacarosa. Transcurridas 120 horas de fermentación se miden las siguientes fuerzas y velocidades de corte en un viscosímetro de cilindro rotatorio. Fuerza de corte (din cm -2 ) Velocidad de corte (s -1 ) a)dibujar el reograma para este fluido b)determinar los parámetros no newtonianos del fluido c)calcular la viscosidad aparente para las siguientes velocidades de corte: 15 s -1 y 200 s -1

13 τ γ 7 Ln τ = Ln K + n Ln & γ 6 Ln τ y = 0.587x R2 = Ln γ n = (adimensional) Ln K = 2,4363 K = e 2,4363 K =11,43 din s 0,587 /cm 2

14 τ γ y = x R 2 = Serie1 Potencial (Serie1)

15 Concentr ación de células (%) Veloci dad de corte (s -1 ) Viscosi dad aparent e(cp) Conce ntració nde células (%) Veloc idad de corte (s -1 ) Visco sidad apare nte (cp) P2- Reología de suspensiones de levadura Se midieron las viscosidades aparentes de suspensiones pseudoplásticas a diferentes concentraciones de células usando un viscosímetro rotatorio de cilindro coaxial y los resultados fueron: Mostrar en una representación adecuada como varían K y n con la concentración de células

16 µ ap (poise) % 21% 16% 10,5% γ µ ap (poise) % 18% 16% 10,5% 6% 3% 1.50% γ

17 µ ap = τ & γ = K & n γ & γ = K & ( n 1) γ Ln [µ ap] Ln µ ap = Ln K + ( n Ln y = x y = x [&] γ γ 1) 21% 18% 16% 10,5% 6% 3% 1.50%

18 n τ K & γ ( n 1) µ ap = = = K & γ & γ & γ µ ap (poise) y = x R 2 = y = 1.618x R 2 = % 18% 16% 10,5% γ concent (%) K n 1, ,

19 Variación de K y n con la concentración de células n (índice de flujo) concentración (%) K*100 (din cm -2 s n ) concentración (%)

20 P3 Viscosímetro de rodete Se analiza la reología de un caldo de Penisillium chrysogenum usando un viscosímetro de rodete. La densidad de la suspensión celular es aprox kg/m -3. Se colocan muestras de caldo en un recipiente de vidrio de 15 cm de diámetro y se agitan lentamente utilizando una turbina Rushton de 4cm de diámetro. La velocidad de cizalla media genarada por este rodete es superior a la velocidad de agitación por un factor 10,2. Cuando el agitador mecánico se une a un dispositivo para la medida del torque y la velocidad de rotación, se obtuvieron los siguientes resultados: Velocidad del agitador (s -1 ) Torque (N m) x x x x 10-6 a) Puede utilizar el modelo exponencial?, en caso afirmativo calcule los parámetros del mismo b) Compruebe el tipo de flujo del experimento

21 γ & = kn = 10,2N N (s -1) Torque (N m) gama (s -1 ) Tau (Pa) E E E-02 τ = 2 π Ω 3 64D k E E E E E E E-02 τ (Pa) 5.7E E E E E E E E E-02 y = 1534x R 2 = 1 3.2E E E E E E-05 γ (s -1 )

22 Ln gama y = x R 2 = Ln Tau -3 n = 1 Ln K = 7,3356 K = 1593,95 Pa s Re 2 2 ND ρ , = = = 1,93x10 µ