Regímenes de fluidización Omar Jorge Sánchez Arce Ingeniería de Biorreactores I

Proceso de fluidización en un biorreactor.  Para Mazaira (2008) es un proceso con un lecho de partículas sólidas por el que pasa un fluido hasta lograr una mezcla homogénea entre las partículas y el fluido. En este estado las partículas se comportan como el fluido en el que están, por lo tanto, fluyen en respuesta a los gradientes de presión a los cuales están sometidos.

Figura 1. Diagrama de un reactor de lecho fluidificado. Figura 1.

Propósito de fluidización en un biorreactor  Separar las partículas de un sólido lo suficiente para obtener una movilidad general (Quezada, 2008); cuando se separan significa que el fluido ha igualado el peso de las partículas por medio de las fuerzas de arrastre y esto es gracias al incremento de la velocidad de fluidización.

 Este proceso crea mezclas sólidas rápidas, buen contacto entre partículas y gas e uniformidad axial en temperatura y composición (Mazaira, 2008).  El empleo de estos lechos y sus propiedades hacen más útiles las operaciones de intercambio de calor, las reacciones químicas, transferencias de masa (Mazaira, 2008).

Aplicaciones  Para Zessen et al (2005) las aplicaciones más útiles de fluidización en un biorreactor son:  Síntesis catalítica  Combustión y gasificación del carbón  Secado de solidos

Función en un biorreactor de lecho fluidazo  Con información de Quezada (2008) un biorreactor de lecho fluidazo está compuesto por dos reactores, ambos de cilindros forma vertical de cemento refractario, dividido en tres módulos. Cuenta con un exterior recubierto de aislante térmico y una lámina de acero.  Para el arranque del proceso cuenta con un quemador de gas propano y aire comprimido.  El mismo Quezada (2008) indica que éste tiene un quemador que suministra gases de combustión lo cual permite el precalentamiento del reactor y proporciona temperaturas ópticas a las cuales el carbón comienza el proceso de desvolatilización.

Esquema de Reactor de lecho fluidazo

Componentes  Con información de Kunii y Levenspiel (1991) se describen los componentes de un biorreactor de lecho fluidazo.  Columna de fluidización: se basa en un tubo sobre el cual pasa el fluido que contendrá las partículas.  Sección uniformadora: es un embudo difusor que permite obtener un perfil de velocidad deseado.  Distribuidor: Es una placa con varias perforaciones y es importante, ya que su diseño impacta directamente en la calidad de la fluidización.

Componentes  Sistema de suministro de fluido: es un sistema de válvulas reguladoras de flujo, instrumentos medidores de flujo, calentadores y otros dispositivos con el fin de de proporcionar el fluido en las condiciones termodinámicas requeridas.  Sistema de medición de presión: permite medir la caída de presión en un lecho Fluidizado.

Parámetros  Altura del lecho  Relación altura diámetro  Esfericidad  Diámetro medio de partícula  Clasificación de las partículas  Regímenes de flujo  Regímenes de fluidización

Altura del lecho  Figura 1. altura del lecho frente a la velocidad

Relación de espacio libre entre partículas

Esfericidad

Diámetro medio de partícula

Regímenes de flujo

RégimenDescripciónImagen Régimen de lecho fijo La velocidad del gas no supera la velocidad de mínima fluidización de las partículas, por lo que, no se produce fluidización de las mismas Régimen de fluidización mínima El lecho está expandido con una distribución relativamente uniforme de las partículas, que a su vez presentan un movimiento caótico, por lo que no se observan burbujas de ningún tipo y tamaño

Régimen de fluidización suave

RégimenDescripciónImagen Régimen de fluidización con burbujeo El gas tiene una velocidad superior a la de mínima fluidización. Aparecen burbujas de gas que ascienden a través del lecho. El gas no alcanza la velocidad terminal de las partículas, lo que implicaría la presencia de arrastres. Sera el régimen de trabajo del modelo aquí propuesto Régimen de fluidización intermitente (slugging) Debido a la elevada velocidad se forman grandes burbujas que pueden llegar a ocupar todo el diámetro del reactor, y se puede iniciar ya el arrastre de las partículas

Régimen de fluidización turbulenta  Un lecho fluido que trabaje en régimen turbulento debe operar por encima de la velocidad terminal de algunas o todas las partículas que lo forman. En este caso, sería necesario el retorno de los sólidos al lecho para mantener el balance.

Régimen de fluidización con transporte neumático  Hay un transporte de las partículas de sólido a alta velocidad que obliga a la recirculacion de las mismas al lecho. Los sólidos se extienden hasta la salida y no ocupan más del 10 por ciento del volumen del lecho. No existen burbujas y la velocidad de transferencia de masa es muy alta.

Conclusión  Como respuesta a lo abordado en esta actividad me queda claro que un lecho fluidizado es una marcha ascendente que se abre paso sobre un lecho de partículas solidas, permitiendo que éstas se suspendan por la presión ejercida por la corriente. En un reactor de este tipo, se produce biomasa, la cual crece adherida por las partículas que le dan soporte (Mazaira, 2008). Según Doran (1999) los usos prácticos permiten mejorar el proceso en el tratamiento de aguas residuales, o bien tóxicas.

Conclusión  Esta actividad me permitió dimensionar las aplicaciones que tienen este tipo de reactores y los regímenes con los que transforma la materia, para producir bienes. Para un biotecnólogo, encargado en gran medida de áreas como la transformación de la industria farmacéutica, entre otras, conocer las condiciones operarias de un biorreactor de lecho fluidazo es primordial, debido a las técnicas de ingeniería en biorreactores que hemos venido desarrollando, por ejemplo, para casos concretos, cómo medir la velocidad de ascenso de las burbujas en un lecho, en base a su altura, la temperatura o la presión, con el único fin de que el lecho adquiera un comportamiento semejante al de un fluido y que permita un crecimiento constante para el fin que se quiera llegar.

Conclusión  Por ultimo, la realización de este trabajo compilatorio, no es más que un compendio de información poco practica, iniciando con la planeación, debido, entre otras cosas, por la escasa bibliografía sugerida y sobre todo genera pobreza y delimita las propuestas trabajar en power point debido a la poca practicidad que tiene esta herramienta para diseñar cuadros comparativos. Por otro lado, los criterios de evaluación conducen al estudiante a desarrollar mejor su trabajo en un procesador de textos como word, el cual que facilita el diseño de cuadros y diagramas que redunda en el propio diseño de estructuras cognitivas que ayudan al estudiante a dirigir mejor su formación al ser un acceso más inmediato para su estudio y consulta. Agradezco el hecho que me haya permitido mejorar mi trabajo con sus sugerencias.

Bibliografía  Doran, M. P. (1999). Bioprocess Engineering Principles. Londres: Academic Press. p.439  Mazaira, L. Y. R. (2008). Simulación de la gasificación de biomasa en un reactor de lecho fluidizado en CFD  Perry R. Manual del Ingeniero Quimico. McGraw-Hill.1998  Perez, M., Romero, L. I., Sales, D. (1998). Anaerobic thermophilic fluidized bed treatment of industrial Wastewater: effect of F:M relationship. EN: Chemosphere. Vol. 38, n.14 (Oct. 1998); p  Levenspiel, O. Ingenieria de las Reacciones Quimicas. 2da Edicion. Editorial Reverte. Mexico  Quezada, G. S. (2008). Capitulo 2. Fluidizacion. Distribucion de taman ̃ os de particula en un reactor de lecho fluidizado. Universidad Autonoma Metropolitana. Ciencias Basicas e Ingenieria. Seminario de Proyectos I y II  Zessen, E. V., Tramper, J., Rinzema, A., Beeftink, H. H. (2005). Fluidized bed and Packed bed Characteristics of gel beads. EN: Chemical Engineering Journal. Vol. 115, (Agto. 2005); p