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CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL

FCEyN-INTI

Materia de Especialización CEBI_E10

BIORREACTORES II

Docente a cargo: Luis DUCREY

E. mail: lducrey@gemabiotech.com

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CEBI_E10 Biorreactores II Modalidad de Clases: Teórico-prácticas. (24 horas)Aprobación: Asistencia obligatoria al 80% de las clases y aprobación de una evaluación de contenidos.Contenidos Mínimos: Bioprocesos aeróbicos. Velocidad de consumo y de transferencia de oxígeno. Medición de coeficientes. Reactores para procesos aeróbicos. Inmovilización de enzimas y células. Métodos de inmovilización. Biofilms. Limitaciones difusionales. Diseño de reactores con enzimas y/o células inmovilizadas. Reactores de lecho relleno y con lecho en suspensión. Reactores de membrana.Biorreactores multifásicos industriales. Reactores agitados. Columnas de burbujeo y reactores de arrastre (“air-lift”). Columnas rellenas. Reactores con diseño especial para el cultivo de células animales y vegetales.Reactores reales y Escalado: Modelos de flujo. Mezclado. Procedimientos básicos de escalado. Fermentaciones sólidas. Biorreactores empleados. Variables del proceso. Sustratos o medios de cultivo. Características básicas del diseño. Aproximaciones al escalado.

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Biorreactor o Fermentador

En ingles se usa

-Biorreactor para células animales

-Fermentador para bacterias u hongos

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¿ Qué es un biorreactor?

¿ Función de un biorreactor?

Clases de biorreactores:

- Tanque agitado

- Columna de burbujas

- Airlift loop

- Células inmovilizadas --- Lecho relleno

--- Lecho en suspensión

- De membrana

- Para cultivos en estado sólido

- Para cultivo de tejidos

- Los todavía no desarrollados

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¿POR QUÉ USAR UN BIORREACTOR?

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• PRODUCCION INDUSTRIAL: gracias al desarrollo de los cultivos a gran escala. Tecnología de fermentación

(= Tecnología de cultivos)

• BIORREACTOR: corazón de dicha tecnología

• FUNCIÓN DE UN BIORREACTOR: Básicamente es la de domesticar microorganismos

• CONDICIONES: Microorganismo “cómodos” o “incómodos”

• FUNDAMENTAL: Conocimiento de la fisiología

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BiomasaProducto

Variación del pH

Calor

CO2

Nutrientes

O2

Fuente de Carbono

Metabolismo celular básico

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• Método más sencillo: cultivo de superficie en medio sólido o líquido estático (producción de penicilina y vinagre)

• 1933 – Kluyver & Perquin

Inicio de los Cultivos

Cultivos en Erlenmeyer

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TEMPERATURA

OXIGENO

Cultivo en Erlenmeyer

pH Buffer

Biomasa de 8 g/l

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• Agitación

– Favorece la transferencia de masa entre las distintas fases

– Homogenización química y física del cultivo

• Dispersar la biomasa

• Transferencia de calor

• Mezcla de la alimentación de sustratos

La eficiencia disminuye por - Viscosidad

- > tamaño del recipiente

- Baja velocidad de alimentación

Cultivo en Erlenmeyer

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pH Oxígenodisuelto

Sistemas decultivo

Fijo Escaso Lote (batch)

Libre

Controlado Controlado Lote (batch) Variable Kla 200 Lote alimentado

veces mayor Cultivo continuo

Biomasalevadura

(g/l)

8

150

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Mantenimiento Celular

-δS/δt = δX /δt 1Yx/s

Si δX /δt > 0

-δS/δt = δX /δt + ms X1Y’x/s

Y’x/s rendimiento con mantenimiento nulo

ms coeficiente de mantenimiento

Donde

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Consumo de Oxígeno

mo : Coeficiente de mantenimiento en base al O2

Y’x/o2 : Rendimiento en base al O2 consumido. Cuando mo = 0 , Y’x/o2 = Yx/o2

-δOd/δt = δX /δt + mo X1Y’x/o2

Divido por X

qO2= +mo

µY’x/o2

-δOd/δt = δX /δt +mo1

Y’x/o2

1X

1X

qO2= Vel. específica consumo O2

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qO2= qO2max

[Od]

[Od]+KOd

Cuando el Oxígeno es limitante

Cuando el Oxígeno no es limitante qO2es independiente

de la [Od] y depende de µ

Si µ = µmax entonces qO2= qO2max

¿Cuándo el Oxígeno no es limitante ?

[Od] crítica aprox 0,1 a 1 mg/l Solubilidad a 30°C y 0,21 atm en agua= 7,8 mg/l

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X= 10 g/l mo= 2,6 mg/g h µ= 0,15 1/h Y´x/o2 = 1 g/g

[Od] inicial = 7,8 mg/l

¿Cuánto tarda en llegar [Od] a 0,5 mg/l?

δX/δt = µmax X = 0,15 . 10 = 1,5 g/l h

Luego

-δOd/δt = 1526 mg/lh

¿Cuánto dura los 7,8 mg/l?

-δOd/δt = δX /δt + mo X1

Y’x/s

11-δOd/δt = 1500 + 2,6 . 10

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-δOd/δt = 1526 mg/lh

Integrando desde T=0 con [Od]i = 7,8 mg/l hasta el tiempo en que [Od] = 0,5 mg/l

1526 mg/l h = ([Od]i– [Od]t) / T

T = (7,8 – 0,5 ) / 1526

T= 4,78 x10-3 h = 17,2 segundos

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SOLUBILIDAD DEL O2

Ley de Henry

C = k . p

p : presión parcial del gas

k : cte de Henry

que depende de: - La naturaleza del gas- La temperatura- Del líquido

C : [O2] en el líquido

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TRANSFERENCIA DE O2

RO2= KLa (C* - C) mol/m3/h

RO2: Coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (OTR)

Kla : medida de la capacidad para suministrar O2

C* : [O2] en equilibrio con la presión de vapor en la fase gaseosa

C : [O2] en el líquido

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Kla : medida de la capacidad para suministrar O2

Kl : Coeficiente de transferencia de masa (velocidad) m/h

a : área interfase específica m2/m3

¿Cómo aumentar Kla?

-Puedo aumentar “a”- Aumentando la E otorgada. > rpm < tamaño burbujas- Aumentando flujo de aire- Aumentando el gas Hold-up

-Aumentando la C* ([O2]gas) : enriqueciendo el aire de entrada-Aumentando la presión en el reactor-Con la < C ([O2]liq) posible

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OTRmax = KLamax (C* - C)

En cultivo aeróbico OTR ≥ OUR

OURmax = µmax xmax / Y`x/o2+ mbio

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X= 10 g/l mo= 2,6 mg/g h µ= 0,15 1/h Yx/o2 = 1 g/g

[Od] inicial = 7,8 mg/l

¿Cuánto tarda en llegar [Od] a 0,5 mg/l?

δX/δt = µmax X = 0,15 . 10 = 1,5 g/l h

Luego

-δOd/δt = 1526 mg/lh

¿Cuánto dura los 7,8 mg/l?

-δOd/δt = δX /δt + mo X1

Y’x/s

11-δOd/δt = 1500 + 2,6 . 10

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-δOd/δt = 1526 mg/lh = RO2

RO2= KLa (C* - C)

KLa = RO2/ (C* - C) RO2

= 1526 mg/ lh

C* = 7,8 mg/ l

C = 0,5 mg/ l

KLa = 209 h-1

A menor KLa, menor RO2

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0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40

time (h)

OU

R (

g/l/

h)

0

50

100

150

200

250

O.D

. (60

0 n

m)

Oxigen uptake rate Biomass

Oxygen uptake rate

Batch Fed-bath Induction

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OTR = dC / dt = KLa (C* - C)

DETERMINACIÓN DEL Kla

-En ausencia de biomasa

Mediante la eliminación del O2 por un gas inerte ( Gassing-Out)

Kl y a por separado son difíciles de determinar, se calcula

Kla como el coeficiente de transferencia volumétrica

Integro entre los límites a t=0 y C=0

Ln (1-C / C*) = KLa . t

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Ln (1-C / C*) = KLa . t

Con un valor para C* = 7,8 mg/l

Graficamos Ln (1-C / C*) vs tiempo nos queda una recta conPendiente Kla

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Variación del O2 en el tiempo Distintos flujos de aire Temp= 30° C Agit= 300 rpmViscosidad= 1 cP

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Variación del O2 en el tiempo Distintas velocidades de agitación Temp= 30° C Aireación= 1 vvmViscosidad= 1 cP

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Variación del O2 en el tiempo Distintas viscosidades del medio Temp= 30° C Aireación= 1 vvmAgitación= 300 rpm

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OTR = dC / dt = KLa (C* - C) – qO2. X

DETERMINACIÓN DEL Kla

-En presencia de biomasa

En un cultivo continuo en estado estacionario dC / dt = 0

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[O2]

C*

CL

Ccritica

dC= X. qO2

dT

corte del

suministro de O2

restitución delsuministro de O2

tiempo (en minutos)

KL.a 1

KL.a 2

KLa1 > KLa2

OTR = dC / dt = KLa (C* - C) – qO2. X

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C = -1/Kla (dc/dt + Qo2 X) + C*

y graficando C vs dc/dt + Qo2 X

nos da una recta con pendiente -1/Kla y

que corta en C*

dC / dt = KLa (C* - C) – qO2. X

Rearreglando:

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AGITACIÓN

- Acelera la transferencia de masa y calor

-Se transfiere la energía cinética de las

turbinas al fluido provocando su

movimiento

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SUSPENSIÓN: depende mas de la forma del fondo del tanque

DISPERSIÓN GAS-LIQUIDO: depende de la geometría de las turbinas

MEZCLADO: depende del tamaño relativo entre tanque y turbinas

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AGITACIÓN - Turbinas

Flujo Radial Flujo Axial

Rushton

Cheminer BT6Scaba 6SRGT

Chemineer CD6

Lightnin A315

Chemineer Maxflo W

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Turbina RUSHTON

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Patrones de Flujo – 1 Radial

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Patrones de Flujo – 2 Radiales

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Helice Axial

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Patrones de Flujo – 1 Axial

Las axiales pueden bombear hacia arriba o hacia abajo según como se la instale

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¿Qué determina que turbinas usar?

-Potencia disipada o absorbida y el torque

-Capacidad de dispersar el aire

-Mezcla de las fases líquido y gaseosa

-Coeficiente volumétrico de transferencia de O2 (Kla)

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RELACIONES DE KL. a CON VARIABLES OPERACIONALES DEL SISTEMA

El KL.a puede correlacionarse con:variables de operación del sistema: agitación, aireación, potenciaaplicada, , etc,propiedades del fluido : densidad, viscosidad, peso especifico.geometría del sistema: diámetro de impeler/ diámetro delfermentador, etc.

Estas correlaciones son empíricas , surgidas de información recogida de un grannumero de experimentos, y permiten:

Predecir el valor que tendrá la transferencia al modificar lascondiciones operativas.Calcular el KL.a sin necesidad de efectuar mediciones.Hacer el cambio de escala.Diseñar reactores.

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KL.a = K. (P/V) (Vs)

En esta expresión se relaciona KLa con la potencia y la agitación (P/V) y la aireación (Vs).

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Limitaciones de esta expresion son: 1- validez solo para fluidos newtonianos, con viscosidad () constante = . En general, los caldos de fermentacion se comportan como fluidos no newtonianos, con viscosidad variable a lo largo del proceso fermentativo.

2- Validez para volúmenes de fermentacion desde 2 L hasta 4,400 L

(relativamente pequeños)

3- Valida para potencias aplicadas (P/V) desde 500 a 10,000 W

4- Expresiones obtenidas en soluciones de electrolitos de baja viscosidad (sin azucares, sólidos, etc.)

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Para sistemas viscosos las correlaciones son de la forma:

Kla. D2 = 0.06 ap

0.5 ap. Vs 0.6 D2N 1.5 DN2 0 .19 DN

DO2 . DO2 ap g Vs

Donde: D= diametro del impeller : densidad del liquido

DO2: difusividad del O2 : tension superficial

ap: viscosidad aparente N: velocidad de agitacion

Vs : veloc superficial del gas

En estas relaciones complejas se prefiere emplear las variables bajo la forma de adimensionales , es decir, como relaciones entre variables

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De este modo además es posible independizarse de las unidades de medida e incluso de las propias mediciones, que, en la mayoría de los casos, son imposibles de realizar.

Re (Numero de Reynolds)

Np (Numero de potencia)

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Número de Reynolds para un sistema agitado

Re= ρL N D2 / µ

N : velocidad de las turbinas (agitación) (s-1)

D2 : diámetro de las turbinas (m)

ρL : densidad del líquido (kg/m3)

µ : viscosidad dinámica (m2/s)

Este numero describe el movimiento del liquido en el tanque en función de la Veloc. de agitación, la viscosidad y densidad del liquido y el diámetro del impulsor

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Re < 10 Flujo es laminar

10 < Re < 10.000 Flujo es de transición

Re > 10.000 Flujo es turbulento

Para asegurar turbulencia

Re > 20.000

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Número de Potencia

Po= P / ρL N3 D5

N : velocidad de las turbinas (agitación)

D : diámetro de las turbinas

ρL : densidad del líquido

P : potencia absorbida (que es menor que la del motor, porperdidas)

Establece la relación entre agitación, potencia de

agitación (P) y variables operativas del sistema

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Po es dependiente al tipo de flujo

-Para laminar es inversamenteproporcional a Re

-Para turbulento es cte

-Para la transición es mas complejo ya que influyen la inercia y la viscosidad

curva de potencia

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Generalmente se trabaja en flujo turbulento, para lo cual Po es cte y depende del tipo de turbina utilizada

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Cuando el sistema se airea, la definicion del Np se modifica a :

Np = Pg / g.N2.D5 Pg: potencia absorbida por el sistema

aireado

g: densidad aparente

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La potencia también se relaciona con el Torque (M) que se transmite al eje

P = 2pi N M

N : velocidad de las turbinas (agitación) (s-1)

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2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

100 150 200 250 300 350 400 450 500

RPM

Po

ten

cia

(A

)

Axial + rushton rushton convexas

Potencia Consumida

Comparación entre diversas clases de turbinas y rpm

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N : velocidad de las turbinasQs : flujo de aire

Capacidad de dispersar el aire

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Tiempo de mezclado en fc de Po

con una sola turbinaconfiguración 1 a 1 (H/Td)flujo turbulento

tmix,95% ≈(Po-1/3/ N) (D/Td)-2

D : diámetro de la turbina

Td : diámetro del biorreactor

N : velocidad de la turbina

Po : Número de potencia

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Llevado a P y unidad de volumencon una sola turbinaconfiguración 1 a 1 (H/Td)flujo turbulento

tmix,95% =5,9 (P/ ρLV)-1/3 Td2/3 (D/Td)

-1/3

D : diámetro de la turbina

Td : diámetro del biorreactor

V : volumen del biorreactor

ρL : densidad del líquido

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Conclusiones

-Todas las turbinas de igual D tendrán el mismo tmix a unadada P

-A una dada P una turbina de mayor D dará un menor tmix

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MULTIPLES TURBINAS

Si se aumenta la configuración a 2 a 1 (H/Td) y se instalan 2 turbinas.¿Se mantiene el tmix?

NO debido a la zonificación

A modo de ejemplo, con 3 Rushton

tmix,95% =3,3 (Po-1/3/N) (D/Td)-2,43

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MULTIPLES TURBINAS

Con una Rushton debajo y una o dos axiales arriba se disminuye el tmix en un 50%.

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Comparaciones de Lineas de Flujos

Izq: Todas CD 6

Der:Abajo CD 6Resto H3

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Comparaciones de Velocidades de Flujos

Izq: Todas CD 6

Der:Abajo CD 6Resto H3

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Distribución del tamaño de las burbujas

Izq: Todas CD 6

Der:Abajo CD 6Resto H3

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Izq: Todas CD 6

Der:Abajo CD 6Resto H3

Distribución del Kla

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CONCLUSIONES

-La dispersión de gas nunca puede ser homogenea

-La mayor transferencia ocurre en la región de las turbinas

-Es esencial un buen mezclado de arriba hacia abajo

-Para biorreactores de gran tamaño la mejor configuración es una turbina de baja dispersión (radial) abajo y hélices de flujo axial arriba

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TRANSFERENCIA DE CALOR

BALANCE GENERAL de Tasas de generación y transferencia

Qacumulado= QMet+ QAgit+ QAireac+ QSens- QEvap- QInter- QRad

A Temp cte, Qacumulado= 0

QMet: Calor generado por metabolismo

QAgit: Calor generado por trabajo mecánico

QAireac: Calor generado por la expansión de las burbujas (> a 10 m3)

QSens: Calor que aporta fluidos a otra Temp (ácido, alk, Antiesp, alimentación)

QEvap: Transferencia de calor al humedecerse el aire que burbujea (desp)

QInter: CALOR QUE DEBE TRANSFERIR el sistema de refrigeración

QRad: Calor que se pierde por radiación a través de las paredes (desp si

está bien aislado)

QInter= QMet+ QAgit+ QAireac- Qevap

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TRANSFERENCIA DE CALOR

Similar a la transferencia de Oxígeno

Involucra los pasajes:

Microorganismos---medio líquido-(crítico)-superficies biorreactor

QHe ≈ AHe . Δ T La tasa de transferencia de calor a través de una

superficie es proporcional al área de intercambio y al diferencial de temperatura

QHe = UHe AHe . Δ T UHe:Coeficiente de transferencia total de calor

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1/UHe = 1/hi + 1/hfi + ep/λp + 1/hfo + 1/ho

hn : coeficientes de transferencias

1/hi:resistencia entre líq y la pared (EL MAS IMPORTANTE)

1/hfi:resistencia entre líq y la pared con fouling (evitable)

ep/λp :resistencia por la pared (desp con esp < 5 mm)

1/hi:resistencia la pared y líq refrig con fouling (evitable)

1/hi:resistencia la pared y líq refrig (especificado)

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Número de Nusselt Nu ≈ Re . Pr Proporcional al Número de

Reynolds y al Número de Prandlt

Relaciona la transferencia de calor por convección en relación a la de conducción

hi : coeficientes de transferencias

Nu = hi .dl / λL λL : Conductividad del calor

dl : espesor

Nu = 0,36 Re0,66 . Pr

0,33 (ηL / ηLp)

ηL : Viscosidad del líquido ηLp : Viscosidad del líquido cercano a la pared

1/hi:resistencia entre líq y la pared

Depende de del flujo del líquido y de su naturaleza y se define con correlaciones adimensionales

densidad del líquido, velocidad de las turbinas, diámetro de las turbinas

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Capa límite de velocidad

Capa límite térmica

Número de Prandtl = Cp.ηL /λL

Cp: Capacidad calóricaηL : Viscosidad del líquido λL : Conductividad del calor

Relación entre la capa límite de velocidad y la capa límite térmica

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Según teoría,

Heat generated : Qg = 0.519 kJ/mmol . OUR

5 g/l/h O2 = 156 mmol/l/h

Qg = 0.519 kJ/mmol . 156 mmol/l/h

Qg = 80.9 kJ/l/h = 19.33 kcal/l/h

In our 3500 l Qg = 67655 kcal/l/h

Según mediciones,

Qg = 14 l . 3,7°C /11 min

Qg = 20.1 kcal/l/h

In our 3500 l

Qg = 70350 kcal/l/h

y = 0,0056x + 24,16

R2 = 0,9994

24

25

26

27

28

29

30

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

segundos

°C

Temperatura . Lineal (.)1 gramo de agua requiere 1 caloría para aumentar su temperatura en 1ºC

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Válvula de Diafragma

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Válvula de Diafragma

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