Mezclado


 * MEZCLADO**

Es una de las operaciones unitarias de la ingeniería química más difíciles de someter a un análisis científico. esta operación hace al fluido más uniforme, eliminando gradientes de concentración, temperatura y otras propiedades. Éste se efectúa por intercambios de material entre diferentes localizaciones para producir la mezcla final de los componentes. Si un sistema se encuentra perfectamente mezclado existe una distribución homogénea aleatoria de las propiedades del sistema. El mezclado incluye:
 * Combinación de los componentes solubles del medio, como azúcares.
 * La dispersión de gases, como el aire, cuando atraviesa el líquido en forma de pequeñas burbujas.
 * El mantenimiento de la suspensión de partículas sólidas, como las células.
 * Donde sea necesario, la dispersión de los líquidos inmiscibles para formar una emulsión o suspensión de gotas finas.
 * La mejora de la trasmisión de calor hacia o desde el líquido.

Considerada una de las operaciones más importantes en el bioprocesado. Para crear las condiciones ambientales óptimas para la fermentación, los biorreactores deben proporcionar a las células acceso a todos los sustratos, incluyendo el oxígeno en los cultivos aerobios. No es suficiente con llenar el fermentador con el medio rico en nutrientes, ya que a menos que el cultivo se encuentre bien mezclado se formarán zonas sin nutrientes en aquellos puntos de mayor consumo por parte de las células. Este problema aumenta si la mezcla no mantiene una suspensión uniforme de biomasa. Las concentraciones de sustrato pueden disminuir rápidamente hasta cero en aquellas zonas donde las células asoman fuera de la suspensión. Otra función importante del mezclado es la transmisión de calor. Los biorreactores deben ser capaces de trasmitir calor desde o hacia el cultivo lo suficientemente rápido como para mantener la temperatura deseada. El agua se utiliza como medio de refrigeración para retirar el exceso de calor de las fermentaciones. La velocidad de transmisión de calor del cultivo a través de las paredes del recipiente hacia el agua de refrigeración depende de las condiciones de mezcla en el recipiente, y la efectividad de la mezcla depende a su vez de las propiedades reológicas del fluido del cultivo. No se ha desarrollado una fórmula aplicable al cálculo al que se verifica la mezcla, o la velocidad con que se la realiza, en determinadas condiciones.

Se dice a veces que solo el consumo de energía eléctrica de un mezclador proporciona una medida real del grado en que se ha completado una mezcla, porque se necesita una cantidad definida de trabajo para mezclar las partículas del material dentro del recipiente que lo contiene. Sin embargo, esto no es completamente verdadero ya que existen interferencias imposibles de evaluar como por ejemplo están las corrientes transversales, corrientes parásitas, que se establecen dentro del recipiente.

La mezcla puede alcanzarse de diferentes maneras. La técnica más común dentro del bioprocesado es la agitación mecánica mediante rodete. Su objetivo es tratar a dos o más componentes de forma que cada unidad (partícula, molécula) de uno de los componentes contacte lo más posible con las de los demás.

En el mezclado se pueden distinguir tres tipos de mecanismos por los cuales se realiza la mezcla:
 * Mezclado por difusión: las partículas ruedan por una superficie inclinada. (horizontalmente se produce segregación)
 * Mezclado por esfuerzos de corte: ocurre cuando se generan zonas de deslizamiento (quiebre) en una mezcla de polvos.
 * Mezclado por convección: se producen trayectos especiales (modelos) de circulación en una masa de polvos.

En la mezcla de sólidos, que es la unión de sólido con sólido y su objetivo es lograr la distribución más regular posible de los componentes en la totalidad de la masa sin que cambie sus propiedades físicas o químicas, existen tres tipos:


 * 1) **Mezclas positivas:** Gases o líquidos miscibles. Estos forman de manera espontánea e irreversible una mezcla perfecta por difusión. NO es necesario aplicar energía si el tiempo es ilimitado.
 * 2) **Mezclas negativas:** Los componentes tienden a separarse más o menos rápidamente. Como por ejemplo suspensiones, emulsiones.
 * 3) **Mezclas neutras:** Estas no se mezclan espontáneamente y no tienden a separarse de forma espontánea. Como por ejemplo están la mayoría de las mezclas de polvos.

**EQUIPO DE MEZCLA**

La mezcla se realiza generalmente en un tanque agitado. Los tanques agitados se construyen la mayoría de la veces de forma cilíndrica. Si es posible, la base del tanque se redondea con el fin de eliminar las esquinas y cavidades donde las corrientes de fluido no pueden penetrar y propiciar la formación de regiones estancadas. La mezcla se alcanza utilizando un rodete instalado sobre el tanque. Cuando se utilizan fluidos newtonianos, la relación entre el diámetro del tanque y la del rodete es normalmente 3:1. El rodete se coloca generalmente en la parte inferior de un agitador mecánico situado en el centro del tanque. Algunas veces el agitador se diseña con la entrada por el fondo del tanq ue, aunque en estos casos pueden existir fugas si la junta entre el eje y el suelo del tanque no es perfecta. El agitador se mueve por medio de un motor. El efecto rotatorio del rodete consiste en bombear el líquido y crear un flujo regular. El líquido es empujado fuera del rodete, circula a través del reactor y periódicamente retorna a la región del rodete. Para que exista una mezcla eficaz con un solo rodete, la profundidad del líquido en el tanque no debe ser superior a 1,0-1,25 veces el diámetro del mismo.



Los deflectores, que son láminas verticales de metal unidas a la pared del tanque por medio de unos corchetes reducen los vórtices del líquido. Para prevenir la formación de vórtices generalmente es suficiente con colocar cuatro deflectores regularmente espaciados. La anchura óptima de los deflectores depende del diseño del rodete y de la viscosidad del fluido, pero es del orden 1/10-1/12 el diámetro del tanque. Para líquidos de baja viscosidad, los deflectores se colocan perpendicularmente a la pared. Los deflectores también pueden montarse separados de la pared a una distancia de 1/50 el diámetro del tanque o formando un ángulo. Estas disposiciones evitan la sedimentación y la formación de zonas estancadas al lado de los deflectores durante la mezcla de suspensiones viscosas de células. La elección del rodete depende de varios factores, entre los que destacan la viscosidad del líquido que se va a mezclar y la sensibilidad del sistema a la cizalla mecánica. Para líquido de baja a media viscosidad, se recomienda la utilización de hélices y turbinas de palas planas. El rodete más utilizado en la industria de fermentación es la turbina de disco con 6 palas planas. Este rodete se conoce también como turbinas Rushton.

**MEJORA DE LA MEZCLA EN LOS FERMENTADORES**

Algunas veces, no es posible disminuir los tiempos de mezcla simplemente aumentando la potencia del agitador. Por lo tanto, mientras que un aumento de la velocidad del agitador es la manera más obvia de mejorar la circulación del fluido, deben utilizarse además otras soluciones. La mezcla puede mejorarse también cambiando la configuración del sistema como por ejemplo, colocando deflectores que producen grandes turbulencias y que son de uso común en los fermentadores agitados. Para lograr una buena mezcla, el rodete debería colocarse por debajo del centro geométrico del recipiente. En diseños estándar, el rodete se coloca a una distancia sobre el fondo del tanque que corresponde aproximadamente a un diámetro del rodete o a un tercio del diámetro del tanque. La mezcla se facilita cuando las corriente de circulación existentes en la parte superior del rodete son menores a las existentes en la parte superior, de manera que las partículas de fluido que salen en el mismo instante del rodete tardan diferente tiempo en conocer al mismo e intercambiar materia. La velocidad de distribución a través del recipiente aumenta cuando los recorridos de circulación superior e inferior no están sincronizadas. Otro dispositivo para mejorar la mezcla consiste en colocar varios rodetes, aunque esto obviamente requiere un aumento de potencia. Los biorreactores típicos utilizados para cultivos aerobios son recipientes cilíndricos alargados, con alturas de líquidos significativamente superiores al diámetro del tanque. Este diseño produce una mayor presión hidrostática en el fondo del recipiente y permite un mayor tiempo de contacto de las burbujas de aire con el líquido conforme ascienden. Para alcanzar una mezcla efectiva en los fermentadores alargados es necesario colocar más de un rodete. Cada rodete genera sus propias corrientes de circulación. La distancia entre rodetes debe ser 1.0 ó 1.5 veces el diámetro del rodete. Si los rodetes se colocan demasiado separados se formarán zonas sin agitación entre ellos, mientras que si se colocan demasiado juntos se producirán corrientes de flujo que interferirán unas con otras e interrumpirán la circulación. Dos turbinas espaciadas menos de un diámetro de rodete pueden necesitar una potencia 2.4 veces la consumida por una turbina simple. La presencia de burbujas de gas disminuye ka potencia necesaria para los rodetes inferiores. Sin embargo, la cantidad de gas que pasa a través de los rodetes superiores es a menudo mucho menos. Cuando esto ocurre, la potencia necesaria por cada rodete adicional es grande en comparación con el sistema de rodete simple.



=EFECTO DE LAS PROPIEDADES REOLÓGICAS EN EL MEZCLADO=

Para lograr una mezcla efectiva deben existir condiciones turbulentas en el recipiente de mezclado. La intensidad de la turbulencia viene representado por el Rei, por lo que para un tanque con un rodete de turbina y deflectores, la turbulencia se ve amortiguada y el tiempo de mezcla aumenta significativamente a valores de Rei inferiores a 5000. Por lo tanto, cuando se agitan fluidos altamente viscosos es posible que existan condiciones no turbulentas y por lo tanto una mezcla deficiente. Una solución obvia consiste en aumentar la velocidad del reodete, pero esto requiere un considerado aumento de la potencia, y por lo tanto no es factible.

La mayoría de los fluidos no newtonianos utilizados en bioprocesado son pseudoplásticos. Como la viscocidad aparente de estos fluidos depende de la velocidad de cizalla, el comportamiento reológico de muchos clados de cultivos depende de las condiciones de cizalla existentes en el fermentador. Metzner Otto han propuesto que la velocidad de cizalla media en un recipiente agitado es una función lineal de la velocidad del agitador.

Los fluidos pseudoplásticos presentan enrarecimiento de cizalladura; es decir, su viscocidad aparente disminuye al aumentar la cizalla, acordando esto, en los recipientes agitados, los fluidos pseudoplásticos presentan una viscocidad aparente relativamente baja en la zona de alta cizalla cerca del rodete y una viscocidad aparente relativamente alta cuando el fluido se aleja del rodete. En los biorreactores que contienen caldos no newtonianos esto puede tender a la formación de zonas estancadas en zonas alejadas del rodete.

Los efectos locales del enrarecimiento del fluido en los fluidos pseudoplásticos pueden contrarrestarse modificando la geometría del sistema o el diseño del rodete. En esos casos se recomienda la utilización de agitadores de mayor diámetro. Para rodetes de turbinas se reduce la relación diámetro del tanque-diámetro del rodete hasta valores de 1.6 a 2, en vez de 3:1 convencional utilizado con fluidos de baja viscocidad. También se recomiendan diferentes diseños de rodetes que recorren el volumen entero del recipiente.

Los tipos más comunes utilizados para la mezcla de fluidos viscosos son los rodetes helicoidales y los anclas de rejas y canalete montados en pequeñas separaciones entre el rodete y las paredes del tanque. La mezcla con estos rodetes se consigue a bajas velocidades sin corrientes elevada velocidad. Los agitadores helicoidales se han utilizado para reducir el daño de cizalla y mejorar la mezcla en suspensiones viscosas de células.

Otros diseños de rodetes, como las cintas helicoidales y las anclas, mejoran la mezcla en fluidos viscosos aunque su aplicación en fermentadores solo es posible cuando la demanda de oxígeno en el cultivo es relativamente baja. Aunque los rodetes de gran diámetro que operan a relativamente baja velocidad producen una mezcla mayor, para dispersar las burbujas del gas y promover la transferencia de oxígeno en el líquido se prefieren los sistemas de alta cizalla con rodetes pequeños de alta velocidad. En el diseño de fermentadores para cultivos viscosos es necesario conseguir un compromiso entre efectividad de la mezcla y una adecuada transferencia de materia. (Doran)

IMPORTANCIA DE LA CIZALLA EN LOS FERMENTADORES AGITADOS
La mezcla en los biorreactores debe proporcionar las condiciones de cizalla necesarias para dispersar las burbujas gotas y flóculos de células. La dispersión de las burbujas de gas por agitación exige un balance entre fuerzas opuestas. Las fuerzas de cizalla en remolinos turbulentos estira y deforma las burbujas y las rompe en tamaños más pequeños. Al mismo tiempo la tensión superficial de la superficie gas líquido tiende a devolver burbujas a su forma esférica. En el caso de materiales sólidos como los flóculos o agregados de células, las fuerzas de cizalla en el flujo turbulento son contrarrestadas por la resistencia mecánicas de las partículas.

Mientras que para facilitar la transferencia de oxígeno en los fermentadores se necesita que las burbujas se rompan, no es deseable que se produzca una desorganización de las células. Los diferentes tipos de células presentan diferentes niveles de sensibilidad de cizalla, se conoce que los insectos, los mamíferos y las células vegetales son especialmente sensibles a las fuerzas mecánicas. Los biorreactotardo utilizados para el cultivo de estas células deben limitar la intensidad de cizalla a la vez que proporcionan una adecuada mezcla y transferencia de materia. Actualmente, no se comprende totalmente los efectos de la cizalla sobre las células. La disgregación de las células es el resultado obvio de las altas fuerzas de cizalla aunque también pueden producirse otros fenómenos más suaves como el retardo en el crecimiento y en la síntesis del producto, la desnaturalización de las proteínas extracelulares, el cambio de morfología y el espesamiento de la pared celular.

Las condiciones de cizallas óptimas experimentadas por las células están muy poco definidas debido a la gran variación espacial de intensidad de cizalla que puede existir en los recipientes agitados. Muchas de las publicaciones existentes en este tema examinan el problema del dano por cizalla, especialmente en cultivos celulares de insectos y de mamíferos. Los mecanismos considerados como los causantes del dano celular son: Interacción entre las células y los remolinos turbulentosLas colisiones entres las células, las colisiones de las células con los rodetes y las colisiones de las células con las superficies fijas del recipiente.La formación de fuerzas de cizalla en las capas límites y estelas cerca de los objetivos sólidos presentes en el reactor, especialmente en el rodete.La formación de fuerzas de cizalla a medida que las burbujas ascienden a través del líquido y;El estallido de las burbujas en la superficie del líquido En general, cuando no existen burbujas de gas en el líquido, las interacciones entre las células y los remolinos turbulentos se consideran los principales responsables del dano de las células. Sin embargo, el recipiente está aireado, el dano de cizalla puede producirse a velocidades de rodete inferiores debido a los efectos de cizalla asociados con las burbujas.

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APLICACIONES

El mezclado es utilizado para la preparación uniforme de dos o más sustancias o materiales, las sustancias a mezclarse pueden ser sólidas, líquidas o gases, por lo tanto esta operación unitaria es utilizada para la preparación de soluciones, pinturas, alimentos, cerámicas o como medio para aumentar la superficie de contacto entre las fases en otras operaciones unitarias como absorción, extracción y secado.

REFERENCIAS
 * Doran,P.M. (1998). //Principios de ingeniería de los bioprocesos//. Acribia,S.A