2.16.

1 Introduccin
Biorreactores agitados neumtico se aprovechan de la inyeccin de una corriente gaseosa (a
menudo aire) para proporcionar una mezcla y mediar la transferencia de sustancias gaseosas
(es decir, O2 y CO2) con la fase lquida. Sin embargo, a diferencia de en los reactores agitados
neumticamente clsicos donde la mezcla lquida es (es decir, la columna, la burbuja) al azar,
el diseo especfico de los reactores de transporte areo (ALRS) hace que el lquido circule
entre dos zonas interconectadas conocidos como el tubo ascendente y el tubo de bajada [1]. El
tubo ascendente y el tubo de descenso estn conectados por una base de reactor especfica
que permite la circulacin de lquido y por un separador gas-lquido en la parte superior. Bajo
condiciones de operacin tpicas, se inyecta aire por debajo de la seccin de tubera vertical y
la eliminacin de gas en el separador genera un gradiente medio de densidad entre el tubo
ascendente y zonas de tubos de descenso que causa el caldo lquido circule (Figura 1). La
funcin del separador de gas es apoyar la retirada eficiente de gas-lquido. La fraccin de gas
introducido en la seccin de tubo de descenso depende del diseo y de las variables
operacionales. Esta fraccin tiene un efecto significativo en la dinmica de fluidos y, en
consecuencia, el rendimiento del reactor. La introduccin de la energa focalizada para mezclar
en biorreactores clsicos genera grandes gradientes de cizallamiento que hacen que las clulas
experimentan estrs mecnico en las zonas de las concentraciones de solutos subptimas (es
decir, O2, CO 2, H +, y toxinas, etc.) y condiciones de temperatura o alta turbulencia y en zonas
de baja turbulencia [2]. Por el contrario, la circulacin de lquido entre el tubo ascendente y el
tubo de bajada (en lugar de inyeccin de gas) es el principal contribuyente a la dinmica de
fluidos en ALRS. Debido a la circulacin de lquido es causada por el gradiente entre las
densidades promedio del fluido en las dos secciones del reactor, no hay ningn punto focal de
la disipacin de energa y fuerzas de corte son muy homogneos dentro de cada seccin,
provocando menos estrs celular. Los ALRS tambin supuestamente apoyan mayores tasas de
transferencia de masa por la entrada de energa que los sistemas clsicos y eficiencia de la
transferencia (es decir, la cantidad de O2 transferido por la entrada de energa) es mucho
menos afectada por la entrada de energa en ALRS que en los sistemas clsicos. Las dos
ventajas principales de ALRS aqu descritos explican por qu estos sistemas a menudo se
prefieren para el cultivo de clulas sensibles al cizallamiento de los mamferos y las plantas o
durante las aplicaciones de tratamiento de aguas residuales que requieren el uso eficiente de
la energa (costes de aireacin representan aproximadamente el 50% de los costos de energa
durante el tratamiento de aguas residuales domsticas ). Investigacin y desarrollo sobre ALRS
se ha centrado hasta ahora en demostrar el potencial de este sistema en nuevas aplicaciones o
modelar las complejas relaciones entre diseo y parmetros de funcionamiento y la dinmica
de fluidos y transferencia de masa. Muchos modelos experimentales y mecnicos que pueden
describir el funcionamiento y el rendimiento ALR son por lo tanto disponible [3]. Sin embargo,
la validez de estos modelos es demasiado a menudo limitada a aplicaciones especficas o
configuraciones del reactor. Por esta razn, slo se presentan los modelos ms relevantes,
ampliamente aceptados y genricos aqu para ilustrar cmo el diseo y los parmetros de
funcionamiento influyen en la dinmica de fluidos y las propiedades de transferencia de masa.
2.16.2 Reactor Configuraciones
Los ALRS se clasifican comnmente de acuerdo con su estructura fsica. Externo (o de bucle
exterior) ALRS se construyen utilizando elevador separado y compartimentos conectados por
tubos de descenso conductos horizontales cerca de las secciones superior e inferior (Figura 2
(a)). En lugar de ello, el elevador de tubo de descenso y se encuentran fsicamente en el mismo

recipiente de ALRS de bucle interno y separados, bien por un deflector de divisin o una
proyecto de tubo concntrico (Figuras 2 (b) -2 (d), respectivamente). En los reactores de bucle
interno, ya sea el proyecto de tubo concntrico o el anillo puede actuar como un tubo
ascendente en funcin de la ubicacin del rociador de gas [3, 4]. Sistemas de circuito externo
son menos verstiles en trminos de diseo del reactor y hasta ahora han apoyado
significativamente menos aplicaciones que ALRS bucle interno. Sin embargo, mientras que la
velocidad de circulacin del lquido depende principalmente de la entrada de gas en ALRSbucle interno, circulacin de lquido se puede regular mediante la instalacin de una vlvula de
control en el conducto que conecta el tubo de subida y tubo de descenso en ALRS externos.
ALRS de bucle externo normalmente soportan velocidades de circulacin superiores lquidos y
las tasas de transferencia de masa ms bajas que las de divisin y el proyecto de tubo ALRS
bucle interno [3]. ALRS internalizacin y bucle externo se forman generalmente como
recipientes cilndricos Aunque las configuraciones rectangulares y cuadrados se han utilizado
en la industria. Diseos rectangulares o cuadradas pueden ser ms fciles de fabricar pero
contienen un mayor nmero de zonas potencialmente estancadas. En la prctica, los sistemas
de transporte areo cilndricos estn diseados con altura total a las relaciones de dimetro (H
/ D) de aproximadamente 10, tubo de descenso de tubo elevador relaciones de rea de
seccin transversal (Ad / Ar) que vara de 0,5 a 1. Estos reactores son tpicamente funcionan a
gas superficial velocidades en el tubo ascendente (UGr) que oscila de 0,01 a 1 ms-1 y
velocidades de lquidos superficiales inducidas en el tubo ascendente (ULR) de hasta 2 m s -1
[3, 5]. Independientemente de la configuracin ALR seleccionado, el burbujeador de gas est
ptimamente situado justo dentro de la tubera de retorno en lugar de la prctica
convencional de fijacin en la base del reactor [3]. En el diseo convencional mostrado en la
Figura 1, el fluido circulante que fluye desde el tubo de bajada puede forzar la distribucin de
gas hacia una de las paredes de los tubos ascendentes, que promueve la coalescencia de las
burbujas y la canalizacin. Requisitos especiales de proceso se han traducido en el desarrollo
de configuraciones de transporte areo no convencionales [6]. Por lo tanto, los reactores de
bucle externo diseado con un elevador basan en toberas convergentes y divergentes
(variando Ad / Ar) han apoyado significativamente ms altos coeficientes de transferencia de
gas-lquido que ALRS de bucle externo convencionales como resultado de una mayor
turbulencia en el tubo ascendente (Figura 3 ( a)). ALRS-bucle interno con el proyecto de tubos
perforados pueden apoyar los tiempos de mezcla significativamente ms bajos y los
coeficientes de transferencia de masa ms altos en medios de baja viscosidad en comparacin
con sistemas no perforadas debido a un movimiento de flujo radial mejorada a travs de las
perforaciones (Figura 3 (b)). ALRS Cascade permiten el establecimiento de entornos de cultivo
secuenciales (es decir, aerbica / anaerbica) sin la necesidad para la interconexin de
tuberas o bombas entre cada etapa de tratamiento (Figura 3 (c)). Airlift de lecho empacado
reactores hbridos (Figura 3 (d)) combinan la facilidad de control de pH y oxgeno disuelto de
los sistemas de transporte areo con el medio ambiente proteccin de lechos de relleno
biofilm. La instalacin de mezcladores estticos en el tubo ascendente de burbujas de gas ALRS
promueve la ruptura y posteriormente aumenta las zonas interfaciales de gas-lquido
disponibles para la transferencia de masa (Figura 3 (e)). Asimismo, la instalacin de promotor
de flujo helicoidal deflectores en la parte superior de la tubo de descenso puede mejorar la
mezcla radial y la transferencia de masa slido-lquido y disminuir la entrada de energa
mnimo para la fluidizacin slido hasta cuatro veces [7].
Entrada 2.16.3 Potencia

Independientemente de la configuracin utilizada, el rendimiento ALR se rige principalmente

por la fuente de alimentacin especfica para el reactor. La entrada de energa en ALRS lotes se
utiliza principalmente para la expansin isotrmica del gas desde la presin hidrosttica en la
base del reactor a la presin en el espacio de cabeza ALR. Esta entrada de energa se transmite
a la fase lquida, lo que provoca la circulacin de lquido macroscpica [6]. La energa necesaria
para la inyeccin de chorro de gas en el sistema a travs del rociador de gas se puede excluir
del clculo de entrada de energa especfica, ya que nunca excede de 1,5% de la potencia total
para la mayora de los diseos de rociadores y las tasas de flujo de gas [3]. Por consiguiente, la
entrada de energa especfica en un ALR se calcula a menudo como:

donde PG es la entrada de potencia debido a la introduccin de gas, VL es el volumen de la

fase lquida en el aire,? L la densidad de la fase lquida, g la aceleracin de la gravedad, y UGr la
velocidad superficial del gas en el tubo ascendente calculado como:
donde Qm es la tasa de flujo de gas molar, hL la altura esttica del lquido-gas libre, R la
constante universal de gas, T la temperatura absoluta en la fase de gas, y Ph la presin del
espacio de cabeza. En muchas situaciones prcticas (medios altamente turbulento), el tamao
mximo de burbuja de gas estable en la dispersin se ha correlacionado con la entrada de
potencia real como: 2 3 3 5 6 7 = 6 7d max 6? ? 2 = 3 7 3? 4 5 PG 21 = 3 L VL donde es
la tensin superficial del medio de cultivo.
Como regla general, la entrada de energa especfica en ALRS no exceda normalmente 23kWm-3, los valores que pueden ser uno o dos rdenes de magnitud inferiores a las
registradas en los reactores de tanque agitado convencionales para las mismas aplicaciones
biotecnolgicas o ambientales. Estas entradas de alimentacin pueden ser donde se requiere
baja tensin de cizallamiento [6] an ms baja (0,1 kW m-3) en las aplicaciones.
Hidrodinmica 2.16.4 Gas-Liquid
2.16.4.1 Gas Atraco El general (G), atracos riser (Gr), y bajante (Gd) de gas tiene influencias
cruciales en circulacin del lquido y la transferencia de masa en ALRS [3, 6]. Estas variables se
definen como la fraccin volumtrica de gas en la dispersin de gas-lquido-slido en el
volumen de control analizadas (reactor, vertical, o tubo de bajada). La retencin global de gas
por lo tanto se puede expresar como:
donde VG y VS representan el volumen de las fases de gas y slidos (slidos en suspensin),
respectivamente. La retencin global de gas tambin puede estimarse a partir de la columna
individual y tubos de descenso de retencin ups como sigue:
La retencin de gas influye en el volumen total del reactor, el rea de contacto gas-lquido
disponible para la transferencia de masa (y por lo tanto las tasas globales de transferencia de
masa volumtrica) y el tiempo de residencia del gas en la fase lquida [3, 8]. El volumen de un
ALR depende de la retencin de gas global mximo (tpicamente 0,3), que corresponde al
volumen mximo de fase de gas que puede ser acomodado dentro del reactor [3]. Propiedades
de los fluidos tales como la tensin superficial, la densidad, la viscosidad, y la fuerza inica, y
las variables de diseo ALR como la relacin de Ad / Ar o hL afectan atracos de gas y
distribuciones de tamao de burbuja. Por ejemplo, G disminuye a aumentar Ad / alturas Ar o
reactor como resultado del aumento de las velocidades de circulacin de lquido [3, 4]. La

presencia de slidos tambin se conoce para disminuir G. Los valores individuales de los
atracos de subida y de gas de tubo de descenso son de suma importancia, ya que su diferencia
constituye el motor de la circulacin de lquido [4]. Esta diferencia se determina por la
geometra del reactor (eficiencia de separacin gas-lquido y la velocidad del lquido en el tubo
ascendente y el tubo de bajada); las propiedades del fluido (viscosidad y tensin interfacial); y
la velocidad superficial del gas (entrada de alimentacin). A pesar de presentar variaciones
radiales y axiales, valores medios de Gr y Gd se reportan comnmente para fines de diseo y
operacin. Fuertes evidencias empricas apoyan la existencia de una correlacin lineal entre
Gr y Gd [3]. La mayora de las numerosas correlaciones que se han desarrollado para
predecir los atracos generales e individuales de gas son especficos de la combinacin de
lquido reactor particular utilizado para los datos de ajuste. Correlaciones generales capaces de
predecir atracos de gas en virtud de la amplia gama de configuraciones ALR encontraron y las
condiciones operativas utilizadas son por lo tanto crucialmente necesarios [4, 6].
2.16.4.2 Liquid velocidad de circulacin
En ALRS, burbujeo de gas en el tubo ascendente genera una diferencia en las densidades
aparentes de los fluidos entre el tubo ascendente y el tubo de bajada que impulsa la
circulacin del lquido en general a lo largo de un camino definido (flujo ascendente en el tubo
ascendente y flujo descendente en el tubo de bajada). La velocidad de circulacin del lquido
est por lo tanto rige por la geometra del reactor, las propiedades del fluido, y la velocidad del
gas. Es una variable operativa clave que determina los atracos parciales de gas en el medio de
cultivo (y por lo tanto las tasas de mass y de transferencia de calor), el grado de mezcla, el
campo de esfuerzo cortante, y los regmenes de flujo de las fases de gas y slidos . Las
velocidades superficiales de lquido y gas en el tubo ascendente son a menudo empricamente
correlacionados con expresiones matemticas tales como [3]:
donde es una funcin de la geometra ALR y las propiedades del fluido (por ejemplo, 0.166
< <1 [3]) y es una funcin del rgimen de flujo y la geometra del reactor (por ejemplo,
0.237 <v <0,4 [3] ). UGr puede estimarse a partir eqn 2. modelos hidrodinmicos sofisticados
con el objetivo de predecir las tasas de circulacin de lquido sobre la base de los balances
energticos o saldos de momentum macroscpicas tambin se han desarrollado [7, 8] pues, se
propuso modelo general .A basado en los balances energticos aplicables a cualquier
configuracin ALR por Chisti [3] y posteriormente validado en investigaciones independientes
realizadas en ALRS externalidades y de lazo interno [6]. Cuando se aplica a un fluido
newtoniano, ULR se puede describir como
donde HD es la altura de gas-lquido de dispersin y KT y KB los coeficientes de prdida de
forma de friccin para las zonas del reactor superior e inferior, respectivamente. En los
sistemas de bucle interno, KT canoftenbeneglected y KB se puede calcular utilizando las
ecuaciones experimentales tales como, por ejemplo:
donde Ab es el rea disponible para el flujo bajo el tubo de aspiracin o el deflector como se
ilustra en la Figura 4. Un procedimiento para la estimacin de ULR en los fluidos no
newtonianos se pueden encontrar en [3]. Al disear ALRS de bucle externo, KT puede
considerarse igual a KB sobre la base de las similitudes entre las zonas superior e inferior.
Valores experimentales y las correlaciones estn disponibles en la literatura para estimar KB
(por ejemplo, un valor KB cerca de 5 se inform por diversas ALRS bucle externos [3]). El ULR lo
tanto se puede estimar en funcin de la bodega de gas parciales ups, Gr y Gd, que pueden a
su vez ser determinado a partir de funciones experimentales de UGr y ULR. Por tanto, un

algoritmo para la prediccin simultnea de Gr y Gd y la velocidad de circulacin del lquido

debe ser implementado para fines de diseo ALR [3]. Basado en los saldos de momentum,
Heijnen et al. [9] desarroll un modelo general capaz de predecir la mayora de las variables
macroscpicas de ALRS bucle interno. La diferencia de presin (? P) de conduccin de
circulacin de lquido se describe como una funcin de las diferencias en la bodega de gas ups
para las fases gaseosa y slida, ((Gr - Gd) y (Sr - Sd), respectivamente) en lugar de en
atracos individuales, que simplificado enormemente los clculos del modelo. Esta diferencia de
presin se describi como:

donde S es la densidad de los slidos suspendidos. Las observaciones empricas, tales como la
disminucin de la retencin de gas UPS al reducida circulacin de lquido mediada por la
presencia de slidos o el incremento en la URL en alturas cada vez mayores del reactor se
describen bien por este enfoque matemtico [7, 8].

2.16.4.3 separadores de gas-lquido

La extensin de la retirada de gas de la dispersin de recirculacin de gas-lquido influye
profundamente velocidad del lquido de circulacin (y por lo tanto, la acumulacin de gas, la
transferencia de masa, suspensin de partculas slidas, tensiones de cizallamiento, etc.) y la
naturaleza de las reacciones bioqumicas que ocurren en las diferentes zonas de los ALRS [1].
La velocidad de circulacin del lquido se puede suponer que ser proporcional a (Gr - Gd) y
0,5 Gd se determina en gran medida por arrastre de gas en el tubo de descenso. Separacin
gas-lquido est regida por (1) la distancia entre la salida del tubo ascendente y la entrada del
tubo de descenso en la regin de la cabeza de ALRS y (2) las diferencias entre la velocidad
superficial de lquido tubo de bajada en la entrada del tubo de bajada (ULD ) y la velocidad de
subida de burbujas (Ub) [6]. La conexin horizontal entre el elevador y el tubo de descenso en
ALRS de bucle externo a menudo es compatible con una separacin gas-lquido ms eficiente
que en ALRS de bucle interno. Esto normalmente induce mayores velocidades de circulacin
de lquido que en los sistemas de bucle interno [3] y casi completa separacin gas-lquido, por
tanto, puede ser necesaria para permitir que las velocidades de circulacin de alta lquidos. La
separacin completa de gas-lquido tambin se puede utilizar ventajosamente para
proporcionar diferentes condiciones de crecimiento (es decir, aerbica / anaerbica) en cada
seccin ALR. Por ejemplo, la combinacin de un tubo de descenso libre de gas con largos
tiempos de residencia del lquido en el tubo de descenso puede resultar en el agotamiento
total de oxgeno disuelto en esta seccin. Independientemente de la transferencia de la
aplicacin, el oxgeno siempre debe ser optimizado cuidadosamente para evitar cambios
perjudiciales (por ejemplo, de aerbico a fermentativa) en las vas biolgicas que impulsan la
conversin del sustrato. [1]. 5a configuracin impone una cada de presin ms alta en la
seccin de conexin y soporta una eficiencia de retirada de gas inferior a configuraciones 5b y
5c. La separacin completa de gas-lquido se puede lograr en configuraciones 5b y 5c si todas
las burbujas de gas alcanzan la superficie superior del lquido en la seccin de conexin antes
de que el fluido lquido circulante entra en el tubo de descenso. Esto da como resultado el
siguiente criterio para la retirada de gas completa:

donde x es la altura del lquido en el conducto de conexin, l es la distancia entre el tubo

ascendente y el tubo de descenso y ULH la velocidad del lquido en el conducto de conexin
(Figura 5 (b)). El criterio de continuidad para lquidos que fluyen en un sistema cerrado en el
presente documento es satisfecha ya que el lquido que sale del tubo ascendente entra
directamente el tubo de bajada (ULR Ar = ULdAd = ULHx W, donde W es la anchura del
conducto separador de gas-lquido). Por lo tanto, la velocidad de subida de las burbujas de gas
que se excluirn de la bajante debe satisfacer la siguiente ecuacin en la mxima prevista ULR:

Si la longitud del conducto de separacin gas-lquido no puede satisfacer la desigualdad

(ecuacin 11), debido a limitaciones de espacio, el rea del tubo de bajada se puede ampliar
en su entrada con el fin de reducir la velocidad del lquido por debajo de la velocidad de
ascenso de las burbujas ms pequeas que ser excluidos entren en el tubo de descenso. En
Split y el proyecto de tubo ALRS, separacin gas-lquido tambin se puede mejorar mediante la
reduccin de la velocidad del lquido hacia abajo a la entrada de tubo de descenso (Figuras 6
(a) -6 (c)). As, el rea mnima de la entrada de tubo de descenso para la retirada de gas
eficiente (Ade) en estas configuraciones ALR se puede calcular como sigue:

Deflectores horizontales y verticales en ALRS-bucle interno tambin pueden aumentar el

tiempo de retencin del lquido que circula en el separador de gas-lquido y permitir que se
desenganche de gas ms eficiente. Ejemplos de tales configuraciones de separacin se
muestran en las Figuras 6 (d) -6 (f). Ms fcil en el lugar donde se debe preferir la limpieza /
esterilizacin diseos que generan volmenes muertos inferiores y permitiendo (Figura 6f)

2.16.4.4 Destaca hidrodinmico Shear

El campo de baja y homognea del esfuerzo cortante establecido en el bucle de lquido que
circula de ALRS es una ventaja importante de estos sistemas en comparacin con los reactores
convencionales. En los sistemas de tanque agitado, la energa necesaria para el movimiento
del fluido se introduce focalmente por el impulsor. Dado que el impulso se transfiere
directamente desde el agitador a la lquida, el campo de esfuerzo cortante puede presentar
gradientes de Sharp (el gradiente de esfuerzo cortante en las proximidades de una turbina de
hoja plana puede ser de hasta 14 veces mayor que el gradiente de cizallamiento media en el
medio de cultivo [4]). Gradientes de alta cizalla de estrs pueden daar las clulas y las
influencias morfologa y el metabolismo microbiano (especialmente en el caso de los hongos).
En ALRS, el movimiento de fluido suave creado por la diferencia entre el elevador de tubo de
descenso media y atracos de gas reduce la aparicin y la magnitud de los gradientes fuertes de
fuerzas mecnicas fuertes. La contribucin directa de inyeccin de gas para el movimiento de
fluido es, en efecto pequeo en comparacin con el efecto indirecto sobre las densidades
globales de dispersin en el tubo ascendente y descendente. El enfoque ms comn para
cuantificar las tasas de cizallamiento en ALRS se basa en expresiones empricos obtenidos para
reactores de columna de burbujas. La velocidad de cizallamiento media () se considera como
una funcin de la velocidad superficial del gas por rea de seccin transversal del reactor (UG)
como:

donde es una constante emprica que por lo general oscila 1500-5000 m-1. Este enfoque, sin
embargo ha sido criticado porque se basa en la pelcula coeficientes de transferencia de calor
en las interfases lquido-slido y descuida las propiedades de transporte impulso del fluido [3,
6]. Hay, por lo tanto, todava una falta de correlaciones robusta capaz de describir el campo de
cizallamiento en ALRS y otros tipos de biorreactores.
2.16.5 Transferencia de Masa
2.16.5.1 Gas / masa lquida Transferencia
Muchos bioprocesos se limitan, especialmente a gran escala, por la transferencia de sustratos
poco solubles en agua a partir del gas a la fase lquida. La transferencia de masa puede ser
evaluada por medio del coeficiente volumtrico de transferencia de masa (KLa), la
determinacin de que es til en el diseo y optimizacin. La tasa de transferencia de masa (ng
/ l) en condiciones perfectamente mezclado se puede expresar como:

? Donde C * es la concentracin de saturacin de la fase lquida del sustrato de transferencia

en equilibrio con la fase gaseosa y CL es la concentracin de sustrato disuelto en la fase de
lquido a granel en el tiempo t. El valor de KLa puede ser considerado como el producto del
coeficiente de transferencia de masas KL por el rea interfacial especfica a. Los valores de KL y
un depender de esttica (es decir, la densidad, difusividad, y la tensin superficial) y la
dinmica de propiedades de la fase lquida. Mientras que el coeficiente de transferencia de
masa KL vara slo dentro de un rango limitado, el rea interfacial especfica es ms sensible a
cambios en las variables de funcionamiento y las propiedades del fluido [2]. Por lo tanto, el
rea interfacial especfica es el principal responsable de los cambios en la tasa de transferencia
de masa causadas por variaciones en la turbulencia, el tamao de la burbuja, y propiedades
del lquido. Una estrategia comn para estimar un consiste en definir un dimetro de burbuja
media (dB), que puede estar relacionado con la medicin de retencin de gas (G). Entonces,
para una poblacin de burbujas con un dimetro homogneo, la siguiente ecuacin se puede
utilizar: