INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDICIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA Laboratorio de Bioseparaciones Actividad Previa: Centrifugación Alumno: Gonzalez Estrella Rosa Angélica Docentes: Dr. Emilio Castillo Campos Mario Hoes Alejandro Martes 18 de octubre del 2022. Investiga las expresiones matemáticas de la velocidad de sedimentación para régimen laminar, régimen transición y régimen turbulento y el intervalo de diámetro de partícula que se establece en cada régimen. Siendo: g – gravedad dp – diámetro de partícula ρp – densidad de partícula ρ – densidad del fluido µ - viscosidad del fluido Re = 0.153 Ar0.714 Describe el método experimental para determinar la velocidad de sedimentación (velocidad terminal o velocidad de precipitación) y en que se emplea el valor de la velocidad de sedimentación. Para esta determinación se utilizan los datos obtenidos en una sedimentación discontinua, realizada con suspensiones de diferente concentración inicial, Co. La forma de operar con cada una de las probetas es la siguiente: 1º. Se mide la mide la altura inicial de la suspensión, ho, usando la regla acoplada a cada probeta. 2º. Se toma la probeta de concentración y se agita intensamente para que la concentración sea lo más uniforme posible a lo largo de toda la probeta. 3º. Se deja la probeta en reposo y se va determinando la altura que ocupa la suspensión en función del tiempo, tomando para ello medidas de la altura de la suspensión (h) cada minuto. Una vez determinadas las parejas de valores de la altura en función del tiempo, se puede utilizar el método de Coe y Clevenger para determinar la velocidad de sedimentación, este consiste en estimar a partir de los datos experimentales obtenidos a las distintas concentraciones iniciales, los valores de las pendientes en el origen, -(dh/dt), que coinciden con las velocidades de sedimentación (v). (DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN. (s. f.).) Diferenciar entre sedimentación libre y sedimentación impedida. Sedimentación libre: se produce cuando la suspensión es muy diluida y la relación entre el diámetro de la partícula y el diámetro del recipiente es muy pequeña (1/200 aproximadamente). Consecuentemente las partículas sedimentan libremente sin que existan choques entre ellas. Sedimentación impedida: se produce cuando la concentración inicial de sólidos es mayor o el recipiente tiene un diámetro relativamente pequeño. Consecuentemente las partículas chocan continuamente entre sí durante la sedimentación, retrasándose el proceso al reducirse la velocidad de descenso de las partículas. (Unidad III - Procesos de separacion BAGS. (s. f.).) Describe el funcionamiento de cuatro equipos centrífugos. Centrifuga tubular • Compuesto por un tubo vertical que gira a altas velocidades por un motor eléctrico o una turbia de aire/vapor. • Este tipo de centrifuga es de las más eficientes y sencillos capaz de separar partículas de hasta 0.1µm. • Es de operación intermitente • Cuenta con un sistema de enfriamiento, por lo que son empleadas en el manejo de caldos con enzimas o proteínas, la suspensión es alimentada por la parte interior y los solidos sedimentan en la parte del tubo. El líquido claro se colecta por rebosamiento en la parte superior Centrifuga de cámara múltiple • Consiste en una serie de tazones concéntricos con deflectores que provocan con un flujo en serie de la suspensión. Su operación permite la clasificación de las partículas conforme pasan de una cámara a otra; el liquido claro se obtiene por rebosamiento en la última cámara. Este arreglo genera un mayor tiempo de residencia del líquido en relación con el de la centrifuga tubular, así como mayor capacidad de manejo de sólidos. • Incrementan la capacidad de manejo de solidos de las centrifugas tubulares. • Permite la clasificación de partículas conforme pasan una cámara a otra • Velocidades de rotación entre 5000 y 8400 rpm. • Entre 2.5 y 60L de capacidades. • La centrifuga tiene que ser desmantelada para sacar los sólidos. Centrifuga de tazón solido • Son similares a los tubulares, son operados con su eje en posición vertical, la alimentación se efectúa en el fondo del tazón, el cual al girar permite que los sólidos se depositen sobre la superficie de la pared del tazón y el sobrenadante se obtenga por rebosamiento en la parte superior en forma continua. • En algunos modelos el ciclo se controla por medio de un detector del espesor de la torta • Descarga: Solidos fluidos – descarga sin parar la centrifuga Solidos compactos – se utiliza una cuchilla interior se la centrifuga que permite raspar la pared del tazón • Son intermitentes • Su relación longitud a diámetro es de más o menos 0.6 mientras que para las tubulares es de 4.8 • Capacidades de las de laboratorio de 2.7 a 27L • Capacidades industriales de 3000 L Centrifuga de discos • Constan de un eje vertical sobre el cual se montan un conjunto de discos en forma de conos truncados, uno sobre otro; el rotor de la centrifuga, provoca el giro tanto de los discos como del tazón de la centrifuga • Durante la operación de la centrífuga de discos la suspensión es alimentada continuamente en el fondo del tazón a través de la parte central de la flecha, y fluye hacia arriba entre las placas hacia la salida en la parte central superior del equipo. Debido a la fuerza centrífuga los sólidos se depositan en la cara interna de los discos, resbalando hacia la cámara colectora debido al ángulo de los discos. (Tejeda, 2011) • Descarga: o Operación intermitente con respecto a la descarga de solidos o Las de tazón abierto de descarga intermitente de solidos: Solidos tipo boquilla (intermitente) Boquilla(continua) • 5000 a 15000 G (Garibay, G. (s. f.)) Centrífuga decantadora Tienen un tazón horizontal con una sección cilíndrica y una sección cónica. El tazón tiene un tornillo transportador que igual gira en la misma dirección, pero no a la misma velocidad, esta puede ser un poco superior o inferior, y como las velocidades de rotación van de 1,600 a 6,000 rpm, los campos centrífugos son bajos. La suspensión se introduce por medio de perforaciones por un tubo axial concéntrico a la flecha del tornillo. Los sólidos que se depositan en la pared son descargados por el extremo cónico de la centrífuga donde se escurren antes de salir. El líquido claro se obtiene por rebosamiento en el extremo opuesto a través de los orificios de descarga. Y si la velocidad de rotación del tornillo es baja, aumenta la capacidad de desagüe de la torta, pero disminuye la capacidad de manejo de sólidos. Define a que se refiere el concepto de factor de forma, en qué situación se emplea y enlista 5 más comunes (incluyendo el valor que toma). El factor forma o esfericidad es un parámetro que define la forma de los granos o partículas y que nos ayuda a estudiar qué efectos tienen las partículas sobre la velocidad de sedimentación, además de determinar la influencia de la fricción superficial o arrastre de la partícula en el proceso. En el caso de una partícula esférica de diámetro dr, a superficie de la partícula es 6/dr. Cuando las partículas no son esféricas, se define un diámetro equivalente de partícula (dp), como aquel diámetro que poseería una esfera cuya relación área y volumen fuera la misma que la que posee la partícula. dp=T dr Donde: T es es el factor de forma o esfericidad, cuyo valor depende de la forma de la partícula Para el caso de partículas esféricas este factor de forma es la unidad; sin embargo, para partículas diferentes este valor es menor que la unidad Sanchez, A. M. (s. f.) Investiga la expresión matemática para el área equivalente de la centrifuga tubular y centrifuga de discos. El área equivalente (Σ) de una separadora centrífuga se define como la superficie que debería tener un tanque de sedimentación natural para entregar un flujo clarificado (m3 /h) igual al de la centrífuga en cuestión de cualquier suspensión. Charles M. Ambler desarrolló para los diferentes tipos de tambores las ecuaciones correspondientes para el cálculo del área equivalente. a) Centrífuga tubular 𝚺=( 𝑳 𝒘𝟐 ) 𝒈 𝑹𝟐𝟐 − 𝑹𝟐𝟏 𝟐𝑹𝟐 𝑳𝒏 ( 𝟐 𝟐 𝟐 ) 𝑹𝟐 − 𝑹𝟏 ] [ b) Centrifuga de discos y de cámaras 𝚺=( 𝟐 𝝅 𝑵 𝒘𝟐 𝑹𝟑𝟐 − 𝑹𝟑𝟏 ] )[ 𝟑𝒈𝑪 𝑻𝒂𝒏(𝜽) En donde: r1= Radio interno superior del tambor r2 = Radio interno de la base del tambor N = número de discos, para la centrífuga de cámaras N = 1 ω = velocidad angular radianes /s L = Altura del tambor θ = 450 Angulo formado entre los discos C = 1.8 Constante del equipo El Área equivalente de la centrífuga, ∑, es una constante que contiene sólo parámetros relacionados a la geometría de la centrifuga y a su velocidad angular (es independiente de las propiedades del caldo). Es de mucha utilidad para efectuar comparaciones entre distintas centrífugas y para escalamiento de equipos. (Sánchez, 2022) Realiza un cuadro comparativo de parámetros físicos de cada centrifuga mencionada en el inciso 4 (diámetros de tazón, diámetros internos, factor G, concentración de sólidos, entre otros). Investiga en qué condiciones es válida la ecuación 1.4. En la separación de fases por centrifugación, el grado de separación está limitado por la velocidad de sedimentación de las partículas y por las características físicas del equipo, ambas propiedades tanto de la suspensión a tratar como del equipo a utilizar se relacionan en la siguiente expresión: (1.4) Q, flujo volumétrico máximo para un diámetro de partícula definido (m3 /s) vt. Velocidad de sedimentación terminal de una partícula en un campo gravitacional (m/s) Σ, área equivalente de una centrifuga (m2) El factor Σ, es una característica de la centrifuga misma y no del sistema a separarse. El área equivalente puede usarse como medio de comparación entre centrífugas. Representa la superficie de la sección transversal de un sedimentador que removiera partículas del mismo diámetro que las separadas en la centrifuga, cuando su proporción volumétrica de alimentación fuera igual a la de la centrífuga. El factor Σ es característico para cada tipo de centrífuga. Condiciones: Esta ecuación sólo es válida para obtener el gasto manejable en una centrífuga tubular o de discos para producir un líquido clarificado y logrando una sedimentación completa al 100% exclusivamente. 𝑽𝒈𝟐 𝝅𝒏(𝑹𝟐𝟐 − 𝑹𝟐𝟏 )𝑤 2 𝐶𝑜𝑡(𝜽) 𝑸= = 𝑽𝒕∑ 𝟑𝒈 El flujo es función de las propiedades del liquido (Vg) y de las características de la centrifuga (∑) El área contiene los parámetros relacionados a la geometría de las centrifugas y su velocidad angular. Bibliografías • Unidad III - Procesos de separacion BAGS. (s. f.). sites.google. https://sites.google.com/site/procesosdeseparacionbags/moreno-cardena-sergiohumberto/unidad-iii • DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN. (s. f.). ugr.es. https://www.ugr.es/~mgroman/archivos/BIA/Guiones.pdf • Garibay, G. (s. f.). Generalidades Centrifugación. slideshare. https://es.slideshare.net/guillermogaribay1447/generalidades-centrifugacin • Sanchez, A. M. (s. f.). Lechos porosos. Recuperado 7 de septiembre de 2022, de https://es.slideshare.net/angiee1995/lechos-porosos-49605331 • Sánchez, D. (2022, 7 septiembre). Centrifugación. Recuperado 7 de septiembre de 2022, de http://bioprocbsep.blogspot.com/2014/09/centrifugacion.html
