RICERCA ITALIANA     

Modellazione avanzata e validazione sperimentale di dettaglio della fluidodinamica di reattori gas-liquido agitati per processi chimici e biotecnologici

Università degli Studi di Bologna

Abstract

Obiettivo di questo progetto di ricerca è lo studio della modellazione fluidodinamica di reattori gas-liquido agitati meccanicamente per una più efficace previsione del loro comportamento nonché per una migliore comprensione delle basi fisiche del loro comportamento. Verrà inoltre analizzata l'influenza della loro fluidodinamica su selezionati aspetti riguardanti la prestazione in ambiti di rilevante interesse quali, ad esempio, quello delle biotecnologie. Lo studio comporterà attività di tipo sperimentale, modellistico, fondamentale e numerico. Il programma si svilupperà su quattro linee strettamente interconnesse: (a) simulazioni CFD di reattori gas-liquido e validazione dei risultati con dati sperimentali, (b) indagine sperimentale della fluidodinamica dei reattori gas-liquido agitati, (c) analisi teorica di tipo fondamentale circa il moto di bolle in un liquido, (d) indagine circa l'influenza della fluidodinamica su selezionati aspetti relativi alla prestazione dei reattori.
Il punto (a) è l'obiettivo principale e di riferimento del progetto e riguarderà due tipi di reattori gas-liquido agitati, vale a dire apparati con alimentazione del gas tramite distributore e sistemi auto aspiranti. Le simulazioni CFD saranno effettuate con codici commerciali, implementati con modelli di coalescenza/rottura delle bolle, di trascinamento delle bolle in un liquido turbolento, ecc. I risultati delle simulazioni saranno analizzati in termini di campo di moto del liquido, distribuzione della velocità delle bolle, distribuzione spaziale dell'holdup e della dimensione delle bolle (BSD), nonché del progredire dell'omogeneizzazione del liquido (in presenza di gas) a seguito di un disturbo di concentrazione localizzato; tali risultati saranno confrontati con dati sperimentali ottenuti con tecniche quali PIV, LDA/PDA, tecniche impedenzimetriche.
Verrà anche analizzato il comportamento dei reattori gas-liquido per individuare fluttuazioni di bassa frequenza (le cosiddette ‘macroinstabilità'), utilizzando due differenti tecniche ed analizzando con strumenti statistici avanzati le serie temporali degli osservabili fisici selezionati. Si cercherà anche di sviluppare un modello dinamico che interpreti il fenomeno dell'intermittenza in tali apparati. Si condurranno inoltre indagini circa l'effetto della ‘turbolenza libera' sul coefficiente di resistenza delle bolle, la coalescenza delle bolle ed il moto di bolle in un sistema Couette, anche al fine di ricavare informazioni e correlazioni utili per le simulazioni CFD.
L'analisi teorica fondamentale del moto delle bolle in un liquido comprenderà l'applicazione del metodo ‘a interfaccia diffusa' allo studio di sistemi gas-liquido (per indagare le proprietà del moto di tipo diffusivo delle bolle e la loro coalescenza e rottura indotte dallo shear) ed un tentativo di sviluppare una teoria del mescolamento dei sistemi bifase basata sulla teoria dei sistemi dinamici (applicando tecniche di perturbazione singolari ed iperboliche alla dinamica Lagrangiana di bolle).
Circa l'indagine sull'influenza della fluidodinamica su aspetti relativi alla prestazione dei reattori, verranno eseguite determinazioni dei coefficienti volumetrici di trasporto di materia con varie tecniche (dinamiche e stazionarie) e se ne effettuerà un confronto critico, tenendo anche in considerazione l'influenza su questi della fluidodinamica complessiva del sistema, schematizzata in tal caso con modelli fenomenologici semplici. Saranno poi analizzate e valutate strategie di selezione della configurazione geometrica e delle condizioni di agitazione ottimali per i reattori con distribuzione del gas di tipo standard e sarà ottimizzata la configurazione del reattore auto aspirante a turbine multiple. Infine, sarà studiato l'effetto dell'agitazione meccanica sulla disattivazione di enzimi (in assenza ed in presenza di aerazione), al fine di verificare la fondatezza di alcuni meccanismi proposti in letteratura. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Franco MAGELLI Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto di ricerca che qui si propone riguarda la modellazione di apparati gas-liquido agitati meccanicamente. Lo scopo è di affinare gli strumenti di previsione della loro prestazione e di migliorane l'affidabilità nella progettazione. Lo studio sarà sviluppato attraverso azioni coordinate delle quattro unità di ricerca proponenti e comporterà analisi di tipo sperimentale, modellistico, fondamentale e numerico.
Il programma sarà incentrato sui seguenti aspetti:
(a) Simulazioni CFD di reattori gas-liquido e validazione dei risultati con dati sperimentali
(b) Indagine sperimentale della fluidodinamica dei reattori gas-liquido agitati.
(c) Analisi teorica di tipo fondamentale circa il moto di bolle in un liquido.
(d) Indagine circa l'influenza della fluidodinamica su aspetti legati alla prestazione dei reattori (limitatamente al trasporto di materia ed a problemi di degradazione di materiali).

Il punto (a) è l'obiettivo di riferimento del progetto, mentre i punti (b-d) forniranno informazioni complementari e di rilievo, utili anche per una modellazione più affidabile degli apparati. Da tale punto di vista, questo programma è l'estensione a sistemi gas-liquido di attività svolte in precedenza dai proponenti nell'ambito dei reattori solido-liquido (es.: Montante et al.,Chem. Eng. Res. Des., 79, 1005, 2001; Cerbelli et al., Int. J. Multiphase Flow, 30, 675, 2004). Gli obiettivi del progetto possono essere utilmente articolati in sotto-obiettivi e fasi, schematizzabili come segue.

(a) Simulazioni CFD di reattori gas-liquido e validazione dei risultati con dati sperimentali.
(a1) Saranno presi in considerazione due tipi di reattori gas-liquido agitati, vale a dire apparati con alimentazione del gas tramite distributore (posto sotto la girante inferiore) e sistemi auto-aspiranti. Le simulazioni CFD saranno effettuate con codici commerciali, implementati con vari modelli (di coalescenza/rottura delle bolle, di trascinamento delle bolle in un liquido turbolento, ecc.). I risultati delle simulazioni saranno analizzati in termini di campo di moto del liquido, distribuzione della velocità delle bolle, distribuzione spaziale dell'holdup e della dimensione delle bolle (BSD), nonché del progredire dell'omogeneizzazione del liquido (in presenza di gas) a seguito di disturbi di concentrazione localizzati.
(a2) I risultati così ottenuti saranno confrontati con dati sperimentali (ved, b1) al fine di validare modelli e procedure adottati. Per i reattori con distribuzione del gas saranno usati dati ottenuti con tecniche ottiche (PIV e LDA/PDA) per bassi valori di portata del gas ed altre tecniche per portate più elevate. Simile confronto verrà effettuato anche per i reattori autoaspiranti.
(a3) Verrà inoltre studiata l'ottimizzazione delle prestazioni di reattori autoaspiranti a giranti multiple, considerando varie configurazioni e diversi tipi di agitatori. L'obiettivo è di massimizzare, rispetto alla potenza impiegata, l'holdup ed i coefficienti di trasporto di materia.

(b) Indagine sperimentale della fluidodinamica dei reattori gas-liquido agitati.
(b1) Gran parte dell'attività sperimentale è funzionale alla validazione di modelli e procedure utilizzati nelle simulazioni (ved. a1) e comprende: (i) determinazioni mediante PIV (particle image velocimetry) del campo di moto del liquido e della velocità delle bolle di gas, (ii) misure PIV dell'holdup di gas, (iii) misure locali dei transitori di concentrazione di un tracciatore passivo nel liquido conseguenti a disturbi impulsivi (curve di ‘tempi di miscelazione'). Analisi similare sarà condotta con la PIV nei reattori auto-aspiranti, a basse portate di gas. A portate maggiori, verrà determinato l'holdup globale con le usuali tecniche visive.
(b2) Con la tecnica LDA/PDA (laser doppler anemometry/phase doppler anemometry) verranno determinati il campo di moto locale, le caratteristiche di turbolenza, la velocità delle bolle, la distribuzione spaziale dell'holdup e della dimensione delle bolle. Inoltre, si cercherà di analizzare il processo di coalescenza delle bolle ricorrendo ad una tecnica acustica.
(b3) Si condurrà un'indagine circa gli effetti della ‘turbolenza libera' sul coefficiente di resistenza delle bolle, allo scopo di produrre correlazioni che possano essere impiegate nelle simulazioni CFD. Tale filone è l'estensione a sistemi gas-liquido di precedenti analisi su sistemi solido-liquido (es.: Brucato et al., Chem. Eng. Sci. 53, 3295, 1998; Pinelli et al., Chem. Eng. Commun. 188, 91, 2001), in cui fu quantificato un significativo incremento del coefficiente di trascinamento delle particelle.
(b4) Verrà ulteriormente analizzato il comportamento dei reattori gas-liquido per individuare fluttuazioni di bassa frequenza (le cosiddette ‘macroinstabilità'), utilizzando due differenti tecniche ed analizzando le serie temporali degli osservabili fisici selezionati con strumenti statistici.
(b5) Verrà analizzato il moto di bolle di gas in un sistema di Couette, al fine di esplicitare il contributo al moto di tre termini: uno di flusso diffusivo, uno contenente la velocità di deriva ed uno di flusso gravitazionale.

(c) Analisi teorica di tipo fondamentale sul moto di bolle in un liquido.
(c1) Un primo aspetto riguarderà l'estensione del metodo ‘a interfaccia diffusa' allo studio di sistemi gas-liquido in quanto esso sembra offrire vantaggi sul tradizionale approccio ‘interface tracking'. Il comportamento del sistema gas-liquido sarà studiato in condizioni di shear investigando il moto di tipo diffusivo delle bolle e la loro coalescenza e rottura, da esso indotti. I risultati delle simulazioni saranno confrontati con quelli sperimentali (ved. b5); si ipotizza che ne possano scaturire indicazioni utili circa il comportamento di sistemi gas-liquido, da utilizzare per implementare i codici CFD.
(c2) Si cercherà di sviluppare una teoria del mescolamento nei sistemi bifase, applicando tecniche di teoria geometrica delle perturbazioni singolari a partire alla dinamica Lagrangiana di bolle. L'obiettivo finale è di sviluppare criteri geometrici e metodi analitici applicabili a valle delle simulazione di CFD per caratterizzare il mescolamento detti sistemi.
(c3) Definizione, sviluppo ed applicazione di strumenti statistici basati su approcci marcoviani per il riconoscimento delle macroinstabilità in sistemi gas-liquido, a partire da serie temporali (ved b4). Questo filone costituisce l'estensione a sistemi gas-liquido di precedenti analisi di sistemi monofasici. Si cercherà anche di sviluppare un modello dinamico che interpreti il fenomeno dell'intermittenza negli apparati in studio.

(d) Indagine circa l'influenza della fluidodinamica su aspetti legati alla prestazione dei reattori.
(d1) Verranno eseguite determinazioni dei coefficienti volumetrici di trasporto di materia con varie tecniche (dinamiche e stazionarie), sia nei reattori con alimentazione del gas tramite dispersore sia nell'apparato auto-aspirante, con sistemi coalescenti e non coalescenti. Lo scopo è di effettuare un'analisi critica comparata delle tecniche, approfondendo precedenti analisi. Verrà anche presa in considerazione l'influenza sul valore dei coefficienti della fluidodinamica del sistema, schematizzata con modelli fenomenologici semplici.
(d2) Saranno analizzate e valutate strategie di selezione della configurazione geometrica e delle condizioni di agitazione ottimali, finalizzate al trasporto di materia. Allo scopo saranno considerati il cosiddetto criterio OTE (oxygen transfer efficiency) o sue varianti.
(d3) Sarà studiato l'effetto dell'agitazione meccanica sulla disattivazione di enzimi (in assenza ed in presenza dell'aerazione), al fine di verificare le relazioni causali proposte in letteratura. Si cercherà di correlare tali risultati con vari parametri fluidodinamici (shear rate media e massima, sforzi normali turbolenti, ecc.). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'impiego di apparati e reattori multifase agitati meccanicamente è assai diffuso nei processi industriali, sicché questi sono stati oggetto di numerose ed approfondite indagini da alcuni decenni. E tuttavia le conoscenze finora acquisite sono tutt'altro che soddisfacenti, al punto che la previsione del comportamento di tali apparati è tuttora affetta da notevoli incertezze [1]. Il presente progetto di ricerca è incentrato sullo studio del comportamento di apparati gas-liquido, assai importanti per processi dell'industria chimica, delle specialità, farmaceutica e biotecnologica, come pure in applicazioni per la protezione ed il risanamento ambientale. Gli apparati più usati in tale ambito sono reattori agitati meccanicamente (con gas alimentato tramite dispersore o auto aspiranti), le colonne a gorgogliamento, gli air-lift, i ‘plunging jet', ecc.

Tema specifico del progetto è lo studio della fluidodinamica dei reattori gas-liquido agitati [2], che può influenzare in modo significativo l'entità del trasporto di materia, delle trasformazioni chimiche e biochimiche ed è potenzialmente dannosa per alcune sostanze. Per i reattori con gas alimentato tramite dispersore, i principali aspetti ricompresi nel termine fluidodinamica sono il comportamento globale (cui si riferiscono parametri quali consumo di potenza, tempo di miscelazione, hold-up di gas), quello locale (con particolare riferimento alle zone vicine alle pale e all'agitatore) e la modellazione dell'apparato. La potenza dissipata dipende dalla portata del gas e dalla velocità di rotazione dell'agitatore ed è caratterizzata da una riduzione – rispetto al sistema non aerato – al crescere della prima ed al calare della seconda (che può essere spiegata con la formazione di cavità ventilate sul retro delle pale [3]). L'holdup globale fornisce indicazioni circa l'entità dell'area superficiale e del coefficiente volumetrico di trasporto di materia. Si nota che le caratteristiche di coalescenza della miscela gas-liquido influenzano significativamente tale parametro [4,5] ed il coefficiente di trasporto di materia, ma purtroppo ne manca ancora un'efficace descrizione fisica. Sono comunque disponibili correlazioni dell'holdup globale per sistemi sia coalescenti che non coalescenti [6], mentre sono reperibili minori informazioni circa i valori dell'holdup locale di gas [7-9]. Il tempo di miscelazione è un efficace parametro empirico usato per caratterizzare la capacità di omogeneizzazione dei sistemi di agitazione, per il quale esiste una semplice correlazione con il consumo di potenza specifico [6,10], indipendente dal tipo di agitatore e dalla portata di aerazione.

Lo studio della fluidodinamica degli agitatori ha consentito di caratterizzare le ‘cavità ventilate' che si sviluppano sul retro delle pale delle turbine radiali a disco e degli agitatori a flusso assiale [5,11] ed il modo con cui queste inflenzano la capacità di pompaggio ed il consumo di potenza, informazioni fondamentali per la progettazione degli apparati. Tali informazioni hanno anche stimolato lo sviluppo di nuovi tipi di agitatori. L'individuazione dei vari regimi di aerazione e la quantificazione delle relative transizioni [5,6] sono fattori importanti per definire le condizioni operative degli apparati. Si nota poi che, rispetto al numero relativamente abbondante di lavori disponibili per i sistemi monofasici, esistono pochissimi studi riguardanti campo di moto e turbolenza dei sistemi gas-liquido [11-15]. Inoltre, non sono note indagini circa il manifestarsi di macroinstabilità in sistemi omogenei, strutture che rinforzano l'azione di miscelazione delle correnti medie e della turbolenza, del tipo di quelle individuate negli ultimissimi anni nei sistemi omogenei [16,17]. Si nota di passaggio che un'accurata analisi dei segnali fluttuanti ha contribuito in modo determinante alla realizzazione delle indagini in tale campo, in cui sono stati impiegati approcci deterministici e stocastici. Tra i risultati ottenuti con tale ultimo metodo si possono citare l'identificazione delle condizioni di flooding e di loading [18], delle macroinstabilità [16], della transizione tra regime di flusso a semplice o doppia circolazione per le turbine Rushton [19,20].

Per quanto riguarda la tipologia degli agitatori, le turbine radiali di tipo Rushton sono state lungamente impiegate in quanto rappresentano un ragionevole compromesso per i vari obiettivi dell'agitazione: dispersione del gas, omogeneizzazione del liquido, entità del coefficiente di trasporto di materia. Negli ultimi quindici anni sono stati sviluppati vari tipi di agitatori di disegno alternativo per superare i suoi principali svantaggi (quali la significativa riduzione della potenza ‘gassata' rispetto al sistema senza gas e l'alto valore della potenza assorbita per il sistema non aerato): si tratta prevalentemente di dispositivi brevettati che appartengono alle categoria degli "hydrofoil" (giranti a pale larghe con alto ‘rapporto di solidità', pompanti verso il basso o verso l'alto) o delle turbine a pale concave (simmetriche o asimmetriche). Gli agitatori assiali che pompano verso il basso sono caratterizzati da diversi schemi di flusso (‘loading' diretto o indiretto, flussi simmetrico, asimmetrico, competitivo, moti precessionali [21,22]), che possono dar luogo ad instabilità fluidodinamiche. Sulle prestazioni di tali agitatori innovativi sono reperibili alcune analisi comparative [6,22-24]. Si nota che sono spesso impiegati agitatori multipli (specialmente negli apparati di scala industriale) visto che essi consentono migliori sfruttamento del gas e distribuzione dei gradienti di scorrimento e più elevata superficie specifica per lo scambio termico; in tali situazioni sono utilizzati sia agitatori dello stesso tipo, sia combinazioni di agitatori tradizionali ed innovativi: le turbine Rushton multiple presentano lo svantaggio di un carico di gas sbilanciato tra di esse nonché una significativa compartimentalizzazione [25-27]; varie configurazioni sono state confrontate anche da altri punti di vista [27-31]. Complessivamente, sebbene la mole di informazioni sui sistemi ad agitatori multipli sia lievitata nell'ultimo decennio, la conoscenza del comportamento di tali apparati è tutt'altro che completa. Anche geometria e dimensione del dispersore del gas giocano un ruolo importante sul funzionamento degli apparati [3,22,32].

I cosiddetti agitatori auto aspiranti sono un' interessante alternativa ai sistemi finora citati: con essi il gas è aspirato dallo spazio di testa del reattore ed insufflato e disperso nel liquido attraverso un albero cavo ovvero semplicemente ponendo l'agitatore vicino al pelo libero (con conseguente formazione di un vortice superficiale), semplicemente operando a velocità di rotazione sufficientemente elevata. Non è perciò richiesto un compressore esterno; né è necessario il riciclo esterno del gas, qualora si utilizzino gas puri, cosa che riduce i rischi connessi all'impiego di gas tossici o infiammabili. Nonostante questi potenziali vantaggi, sono disponibili pochissime tipologie di tali sistemi [33-36] e, di più, la conoscenza delle loro caratteristiche è assai limitata; mancano poi metodi affidabili di scale-up.

La modellazione della fluidodinamica di tali apparati è importante per la loro progettazione e gestione. Ma tale obiettivo è assai arduo a causa della complessa natura del campo di moto e di turbolenza generati dall'agitatore, dell'influenza di dettagli costruttivi dello stesso e dell'interazione tra le fasi; l'approccio alternativo usualmente seguito consiste perciò nell'impiegare modelli di macromiscelazione di varia complessità per la descrizione delle fasi liquida e gassosa [37-41]. Per la definizione della morfologia dei modelli e la quantificazione dei relativi parametri sono di solito utilizzate le curve sperimentali di tempo di miscelazione per la fase liquida e le curve di distribuzione dei tempi di permanenza per il gas (esistono però pochi studi sul comportamento della fase gas [40,41]). E' anche da citare il fatto che sono stati proposti modelli meccanicistici per la previsione del consumo di potenza, dell'holdup e della transizione loading-flooding [42,43].

Negli anni più recenti sono stati sviluppati vari tentativi di utilizzazione della fluidodinamica numerica (Computational Fluid Dynamics, CFD) per la descrizione e previsione del comportamento dei reattori gas-liquido agitati, che risulta comunque essere alquanto complessa [44,45]. In linea di principio, gli approcci da seguire sono simili a quelli sviluppati per i reattori solido-liquido agitati (si veda ad esempio [46]), ma la dimensione delle bolle non è nota a priori in quanto dipende da fenomeni di rottura e coalescenza, dalle proprietà interfacciali e dalla fluidodinamica. Per una trattazione rigorosa del problema è necessario risolvere un set di equazioni di conservazione per ogni classe dimensionale di bolle, adottando termini addizionali che descrivano l'interazione tra le fasi ed i processi di coalescenza e rottura. In alternativa è possibile ricorrere ad equazioni di bilancio di popolazione, accoppiati a modelli di coalescenza e rottura delle bolle. Si nota anche che una trattazione lagrangiana della fase dispersa può essere sviluppata solo per sistemi estremamente diluiti e resta, quindi, un obiettivo assai difficile da perseguire per aspetti sia modellistici che numerici. Problematiche simili sono affrontate anche nello studio delle colonne a gorgogliamento [57]. Complessivamente la citata complessità si traduce nel fatto che non è stato ancora possibile sviluppare metodi di simulazione completamente predittivi dei reattori agitati gas-liquido; al contrario, sono state usate varie semplificazioni, quali l'assunzione a priori del diametro delle bolle, dell'altezza della dispersione (vale a dire dell'holdup), delle condizioni al contorno per l'agitatore (metodo ‘black box'), del coefficiente di trascinamento per le bolle, di approcci bidimensionali. Di fatto, in tutti questi studi l'accordo tra i risultati delle simulazioni ed i dati sperimentali (campo di moto e/o holdup locale) è generalmente insoddisfacente [13-15,40-47]. La complessità delle problematiche esposte non consente, comunque, di ritenere imminente la messa a punto di tecniche CFD completamente predittive; e tuttavia è possibile un significativo affinamento di tali strumenti.

Il miglioramento dei metodi di modellazione delle apparecchiature è anche basato su una migliore comprensione di aspetti di base quali il moto delle bolle nei liquidi, la determinazione della posizione dell'interfaccia liquido-gas, l'interazione bolla-liquido. Quanto al primo aspetto è noto che sospensioni inizialmente uniformi tendono ad assumere profili di concentrazione non uniformi in presenza di campi di moto complessi; anzi, sono stati proposti modelli che consentono di predire che le particelle sospese tendono a migrare da regioni ad alta concentrazione a regioni a bassa concentrazione e da regioni ad alto shear rate a regioni a basso shear rate [54-57]. Le interazioni tra particelle dovute ad un campo di velocità non uniforme inducono degli scostamenti netti delle particelle dalle traiettorie imperturbate [54]: tale processo è di tipo diffusivo [54] e può essere più agevolmente studiato in apparati di configurazione semplificata rispetto al reattore agitato. In alternativa, secondo un approccio lagrangiano di base, la cinematica di una bolla in moto e la correlazione tra distribuzione spaziale delle bolle e caratteristiche locali del campo di velocità (vale a dire: le strutture fluidodinamiche coerenti associate alla turbolenza) possono essere definite mediante impiego di tecniche geometriche e di teoria delle perturbazioni singolari e iperbolica [58]. E' da ipotizzare che entrambi tali approcci possano essere utilmente estesi a sistemi gas-liquido. Il secondo aspetto riguarda la modellazione numerica del moto dell'interfaccia nel sistema gas-liquido, questione che comporta sforzi computazionali enormi per la determinazione della sua posizione spaziale (interface tracking). Un approccio diverso è quello di considerare l'interfaccia come una regione in cui la densità, o la composizione, della miscela passa rapidamente, ma in modo continuo, da un valore all'altro. Questo approccio è detto a interfaccia diffusa e si fonda su un'intuizione Van der Waals; sebbene sia stato applicato principalmente a miscele che subiscono un cambiamento di fase, si è recentemente dimostrato che esso offre molti vantaggi rispetto al metodo dell'interface tracking, anche quando le due fasi sono immiscibili [62]. Appare pertanto assai promettente anche per la descrizione dei sistemi gas-liquido. Il terzo aspetto riguarda l'incremento del coefficiente di trascinamento delle bolle (che implica la riduzione della velocità terminale) quando il liquido in cui la bolla si muove è soggetto ad un campo turbolento esterno [59]: tale fenomeno è stato riconosciuto e studiato in dettaglio per sistemi solido-liquido [60,61], per i quali sono disponibili correlazioni del coefficiente di trascinamento.

Un ultimo, ampio settore di indagine da citare è quello dell'influenza della fluidodinamica sulla prestazione del processo. Un primo aspetto da menzionare è l'influenza sul trasporto di materia, argomento in cui si spazia dagli studi di base fino all'analisi del ruolo del comportamento globale. Questo ultimo elemento è fortemente legato alla specifica tecnica sperimentale adottata per determinare il coefficiente di trasporto ed entrambi possono influenzarne il valore in modo significativo [63,64]. Sono state proposte correlazioni – dipendenti dalle caratteristiche di coalescenza del sistema, ma indipendenti dal tipo di agitatore – tra il coefficiente volumetrico di trasporto e la potenza specifica e la velocità di aerazione [23,39,64]. La scelta della configurazione ottimale per ogni specifico processo è un momento cruciale per il suo successo [65]. Un secondo aspetto, che può essere solo menzionato ma non sviluppato per ragioni di spazio, attiene al ruolo della meso- e micro-miscelazione sui processi di trasformazione [66], nonché all'influenza della presenza di bolle di gas su tali fenomeni. Un terzo ed ultimo aspetto, rilevante per i bioreattori ed i fermentatori, riguarda la possibile influenza o addirittura il danneggiamento meccanico di materiale biologico. Sono da menzionare al riguardo i seguenti fenomeni (relativi a diverse scale dimensionali): i cambiamenti di morfologia o addirittura il danneggiamento di microrganismi filamentosi, l'effetto negativo dell'interazione tra vortici turbolenti e cellule vegetali, il ruolo fondamentale dell'interfaccia gas-liquido (e della rottura delle bolle) e quello invece modesto dell'agitazione sulla rottura meccanica delle cellule animali (caratterizzate da dimensioni inferiori a quelle dei vortici turbolenti), la disattivazione di proteine a causa dell'agitazione [67]. Quest'ultimo fenomeno è stato associato all'entità degli sforzi normali turbolenti nella zona dell'agitatore, spiegazione che richiede tuttavia approfondimenti e chiarimenti. <<<