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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA PESQUERA Y DE ALIMENTOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

BIORREACTORES BIODIGESTOR DE GUANO CUY Y DE RES ALUMNOS: -

CALDAS HEREDIA, Gabriela Fiorella CRUZ CARO, Maite Ammy MENDOZA MALPARTIDA, Leslie Lizet QUISPE CHOQUE, Cyntia Yelin RODRÍGUEZ ESPINOZA, Carolyn Regina RUIZ CASTAGNE. Daniel YERREN PASACHE, Jefferson Jesús

Profesor: Mg. Germán Martínez Torres Callao, 2019 PERÚ

Contenido INTRODUCCION ........................................................................................................................ 3 1.

OBJETIVOS ........................................................................................................................ 4

2.

FUNDAMENTO TEORICO ............................................................................................... 5 DEFINICION DE BIORREACTOR ...................................................................................... 5 PARTES Y FUNCIONAMIENTO ......................................................................................... 5 a)

BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO .......................................................................... 5

c)

DE CIRCULACIÓN (TIRO DE AIRE) ................................................................................. 7

d)

BIODIGESTOR-Bioagricultura Casa Blanca ................................................................... 8

BIORREACTORES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA ............................................... 9 MARCO LEGAL ................................................................................................................... 11 Bioseguridad en el Perú. .............................................................................................. 11 Biotecnología industrial ............................................................................................... 11 Limitaciones para el desarrollo de la biotecnología en el Perú ......................... 11 COMPOSICION PROXIMAL DE DESECHOS ORGANICOS ...................................... 12 3.

CÁLCULOS Y RESULTADOS ...................................................................................... 14

4.

DISCUSIONES ................................................................................................................. 17

5.

CONCLUSIONES............................................................................................................. 18

6.

RECOMENDACIONES ................................................................................................... 19

7.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 19

INTRODUCCION Los biorreactores son los vehículos contenedores de cualquier proceso de producción basado en la biotecnología, son utilizados en toda clase de procesos, incluyendo aquellos relacionados con la preparación de alimentos, para el tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales, en la fabricación de vacunas y antibióticos, etc (Sandoval, 2006). Para todo proceso de biotecnología se debe diseñar el sistema contenedor más apropiado para crear el entorno adecuado para optimizar el crecimiento y la actividad metabólica del biocatalizador. Los biorreactores oscilan desde simples recipientes abiertos con o sin agitación a sistemas integrados asépticos complejos que implican niveles variables de control avanzado por computadora (Smith, 2004).

1. OBJETIVOS  Conocer el funcionamiento de los biorreactores y su utilización en la industria alimentaria.  Conocer de forma experimental el funcionamiento de un biodigestor artesanal utilizando guano de vaca y de cuy.  Determinar la cantidad de materia orgánica producida en los biogestores artesanales de guano de vaca y cuy.

2. FUNDAMENTO TEORICO Este sistema busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxig ́ eno, etc.) al organismo o sustancia química que se cultiva. El biorreactor debe por tanto suministrar los controles necesarios para que la operación o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economía, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible.

DEFINICION DE BIORREACTOR 

Un biorreactor o fermentador, se define como ¨aquel dispositivo que proporciona un medio ambiente controlado que permite un crecimiento eficaz de las células y la formación de un producto¨.



Este proceso puede ser aeróbico o anaerobio.



Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación.

PARTES Y FUNCIONAMIENTO a) BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO 1. ELEMENTOS BASICOS 

Cuerpo del biorreactor.



Sistema de agitación.



Motor propulsor.



Eje transmisor de potencia.



Puerto de entrada del biorreactor.



Sello mecánico.



Eje transmisor de potencia.



Turbinas

2. SISTEMAS DE CONTROL 

Velocidad del motor.



Temperatura.



Ph.



Sistema de difusión de oxigeno disuelto.

Fuente: Vásquez, M. G. (2010). Biorreactor de tanque agitado.

3. FUNCIONAMIENTO 

Aire es golpeado por las paletas de la turbina.



4-6 deflectores generan mayor turbulencia y mejor mezclado.



Tanque rodeado por agua-Control de Tº

b) BIORREACTOR POR COLUMNAS DE BURBUJEO 1. ELEMENTOS BASICOS 

Cuerpo cilíndrico-Relación altura-diámetro.



Gas asperjado



Tubos perforados

EJEMPLOS: a) Diseño básico MODIFICACION b) Columna con baffles perforados horizontales. c) Columna con baffles verticales. d) Columna con relleno de láminas corrugadas para la dispersión de gas. 3.FUNCIONAMIENTO 

El gas contaminado es introducido desde el fondo de la misma a través de un difusor.



Las pequeñas burbujas de gas producidas mejoran la transferencia de masa al aumentar la superficie de contacto entre el gas y la fase líquida.

c) DE CIRCULACIÓN (TIRO DE AIRE) 1.ELEMENTOS BASICOS 

Cámara de cultivo cilíndrica de vidrio



Tubo de aspiración o de distribución central

Anexos: 

Frascos con solución saturada de NaCl como filtros para aire.



Bomba de aire (AIR PUMP JUNIOR) 1.0 L de aire/min.

2.SISTEMAS DE CONTROL 

Velocidad de inyección del gas.



Veloc. de circulación del líquido.

FUNCIONAMIENTO 

Aire comprimido ingresa al reactor desde abajo por el distribuidor de gas.



La mezcla aire-producto asciende en forma de burbujas, además una parte del oxígeno del aire se disuelve en agua.



En el cabezal del reactor las burbujas restantes abandonan el agua.

Fuente:(LOPEZ, 1997; MIRANDA et al., 2006).

d) BIODIGESTOR-Bioagricultura Casa Blanca

Fuente: Proyecto Casa Blanca (2017)

FUNCIONAMIENTO  

1000 cuyes producen 3 Tm/mes. Pre-compost(residuos de cosecha-guano)1 mes de degradación.

  

Pre-compost se añade guano de vaca  Ebulle bacterias metanogénicas. Masa se diluye con 200 L de agua  Biodigestor. Una vez por año recibe una carga preliminar que sirve de base para las siguientes cargas periódicas.

BIORREACTORES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Un biorreactor puede ser también un dispositivo o siempre empleado para hacer crecer células o tejidos en operaciones de cultivo. Estos dispositivos se encuentran en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos. En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etc.) al organismo o sustancia química que se cultiva.  FERMENTACION EN SUSTRATO SOLIDO Actualmente existen varios tipos de biorreactores destinados a procesos de Fermentación en Sustrato solido presenta como desafío superar los siguientes inconvenientes: resistencia a la transferencia de cantidad de movimiento y calor y la aparición de gradientes de calor y de concentración de gases en la capa media. Fundamentalmente existen 4 grandes tipos de biorreactores para FSS, cada uno de ellos se distingue por el sistema de aireación y agitación. A continuación, se describen de forma breve cada uno de ellos: Grupo I: biorreactor de cama estática y aireación periférica: carece de sistema de agitación, es decir no hay mezclado durante el proceso o solo se aplica un mezclado infrecuente. Es sistema de aireación consiste en una aireación forzada periférica, es decir el aire solo está en contacto con el sustrato sobre los límites externos. Grupo II: biorreactor de cama estática y aireación interna: al igual que el grupo I estos reactores no emplean sistemas de mezclado continuo, pero lo que es diferente en este grupo es que si se usan sistemas de aireación a través de la cama, es decir el aire alcanza de forma externa e interna el sustrato, favoreciendo la transferencia e intercambio gaseoso. Grupo III: biorreactor de cama con mezclado continuo y aireación periférica: emplean sistemas de agitación permanente o con una frecuencia de minutos a horas. El sistema de aireación es similar al empleado en el grupo I, es decir solo se usa una aireación forzada periférica. Grupo IV: biorreactor de cama con mezclado continuo y aireación interna: estos reactores combinan el sistema de agitación del grupo III, agitación frecuente o continua, con el sistema de aireación del grupo II, esto es aireación interna a través del

lecho. Es decir complementan sistemas de agitación con sistemas de aireación, son los más sofisticados y que requieren mayor control. (Parzanese)  BIORREACTORES DE MEMBRANA: Los biorreactores con membrana (MBR) ofrecen muchas ventajas: alta eficiencia de remoción, baja producción de lodos y uso de menores espacios para su instalación. A pesar de que la tecnología MBR se presenta como una novedosa forma de depuración de las aguas, su investigación y comercialización comenzó hace unos treinta años, cuando se empezó a considerar como un sistema óptimo para el tratamiento de las aguas residuales la combinación de membranas y un proceso biológico. Un MBR se compone de dos partes integradas en una sola: por un lado, el reactor biológico responsable de la depuración biológica y, por otro, la separación física de la biomasa y el agua mediante un sistema de filtración directa hecha con membranas. La ventaja de los sistemas MBR se deriva de las elevadas concentraciones de biomasa con las que se trabaja en el reactor biológico gracias a la presencia de una barrera física (membrana) que no deja pasar las bacterias. El reactor es operado de manera similar a un proceso convencional de lodos activados, pero sin que sea necesaria una etapa secundaria, como la clarificación, o una terciaria, como la filtración con arena. Las membranas de ultra-filtración son sencillamente un filtro con un tamaño de poro extremadamente pequeño, lo que permite separar el agua de los contaminantes disueltos de una manera muy efectiva. Un aspecto fundamental del diseño es el empleo en un mecanismo difusor de aire situado bajo las membranas. Este mecanismo genera una columna de burbujas que atraviesa el módulo de las membranas limpiándolas. Este equipo de filtrado puede utilizarse en los reactores biológicos con membrana de ultrafiltración (MBR), los sistemas tecnológicos más avanzados de depuración de aguas residuales. (Velasco Perez & Solar Gonzales, 2011)

MARCO LEGAL Bioseguridad en el Perú. Desde 1987 a la fecha se han sucedido varias comisiones de biotecnología, pero no se ha formulado ningún plan de desarrollo. Tampoco se cuenta con estadísticas oficiales. Biotecnología industrial Si bien existen menos laboratorios nacionales implicados en investigación en biotecnología industrial, algunos tienen un alto nivel y representatividad internacional. Los principales temas en este sector incluyen: a) La producción de ácido 6-aminopeniciláminico (6-APA) por tecnología enzimática (penicilina amidasa inmovilizadas) fue desarrollada por SINQUISA y el Perú fue segundo exportador en América del Sur b) Se realiza producción comercial de cultivos de bacterias lácticas de uso médico c) El 80% de los trabajos es en fermentaciones, siendo la producción de alcohol, ácidos orgánicos y enzimas los temas más abundantes. Asimismo, el empleo de residuos agrícolas como materia prima es muy frecuente. La fermentación en substrato sólido está bien desarrollada tanto con sistemas simples como mixtos, incluyendo manipulaciones genéticas, biorreactores y procesos de control. Como en otros campos de biotecnología en el país es casi nulo el empleo de ADN recombinante, muy poco el empleo de fusión de protoplastos y la digitalización de ADN se realiza en hongos productores de enzimas hidrolíticas.

Limitaciones para el desarrollo de la biotecnología en el Perú A pesar que el interés por la biotecnología se inicia casi al mismo tiempo que en otros países, particularmente latinoamericanos, las limitaciones para su desarrollo persisten; esto se debe a lo siguiente:  Escaso compromiso político institucional.  Currículas universitarias inadecuadas para enfrentar la globalización.  Número limitado de investigadores experimentados.  Pobre equipamiento de los laboratorios y limitado soporte logístico.

 Ausencia de trabajo multidisciplinario y falta de coordinación intra e Inter. Institucional.  Gran dispersión en muchas líneas de investigación y, a su vez, gran concentración en algunos tópicos. Carencia de conocimientos de ingeniería para el escalamiento económico de los resultados.  Carencia de planes de investigación para el mediano y largo plazo.  Carencia de soporte financiero nacional para la investigación y para los investigadores.  Pobre interacción entre la industria y los centros de investigación. (Espinosa N, Campos L, & Del Castillo, 2001)

COMPOSICION PROXIMAL DE DESECHOS ORGANICOS Aspectos favorables a la aplicación de abonos orgánicos en los suelos:



Almacenan nutrimentos necesarios para el crecimiento de las plantas como es el caso de nitratos, fosfatos, sulfatos, etc.



Aumenta la capacidad de intercambio de cationes (en proporciones de5 a10 veces más que las arcillas).



Amortiguan los cambios rápidos de acidez, alcalinidad, salinidad del suelo y contra la acción de pesticidas y metales tóxicos pesados.



Reducen los procesos erosivos causados por el agua o el viento.



Constituyen alimento de organismos benéficos (lombriz de tierra y bacterias fijadoras de nitrógeno, etc.).



Atenúan los cambios bruscos de temperatura en la superficie del suelo.



Reducen la formación de costras al debilitar la acción dispersante de las gotas de lluvia.



Mejoran las condiciones físicas del suelo mediante la formación de agregados, y



Aumenta la infiltración y el poder de retención de agua en el suelo.

Fuente: (Guaman , Saritama, & Yaguana, 2004)

3. METODOLOGíA Organizamos las piezas individualmente, de tal forma que esté listo para armar el equipo.

Encajamos las piezas, una vez armado el sistema, la colocamos en la botella.

4. CÁLCULOS Y RESULTADOS Se pesaron los sustratos orgánicos (cuatro muestras de 20g cada una) que posteriormente se introdujeron a un horno eléctrico en cápsulas de porcelana, a una temperatura de 105°C durante un tiempo que oscila entre 1 a 2 horas. se realizaron cuatro repeticiones para poder establecer con un grado de confianza la relación causa y efecto lo que se logra a través de la periodicidad de las mediciones. CUADRO N°1: Variación de peso en el guano de cuy y de res

INICIO CUY: 20g VACA: 20g

FINAL CUY

6g

5.7g

6.2g

6,4g

VACA 15g 14.8g 15.3g 15.5g Fuente: Elaboración propia

Luego se enfriaron a temperatura ambiente y posteriormente se aplicó el proceso de pesado en la balanza analítica para conocer el porcentaje de humedad y masa seca respectivamente. 

Porcentaje de humedad: Mt = Mh + Ms

Donde: Mt: Masa bruta o total Mh: Masa húmeda Ms: Masa seca

CUADRO N°2: Determinación del porcentaje de humedad en el guano de cuy de res

CUY MASA HÚMEDA

VACA

14 14.3 13.8 13.6

5

5.2

MASA SECA

6

5.7

6.2

6.4

15 14.8 15.3 15.5

MASA TOTAL

20

20

20

20

20

20

4.7

4.5

20

20

Fuente: Elaboración propia

El secado a 105° durante 1 h, es para asegurar la evaporación del agua contenida en el material. A partir de la ec. 1 se determinan los porcentajes contenidos de masa húmeda, que se pierde por evaporación tras el secado, y de masa seca, por medio de: 𝑀𝑟ℎ% =

𝑀ℎ 𝑀𝑡

𝑥 100% y

𝑀𝑠

𝑀𝑟𝑠% = 𝑀𝑡 𝑥 100%

CUADRO N°3: Determinación del rendimiento de masa húmeda y masa seca del guano de res y de cuy

RENDIMIENTO DE LA MASA HÚMEDA 𝑀𝑟ℎ% 14 = 𝑥 100% 20 𝑴𝒓𝒉(𝟏)% = 70% CUY

𝑀𝑟ℎ% =

14.3 20

𝑥 100%

𝑴𝒓𝒉(𝟐)% =71.5%

RENDIMIENTO DE LA MASA SECA 𝑀𝑟𝑠% 6 = 𝑥 100% 20

𝑀𝑟𝑠% 5.7 = 𝑥 100% 20

𝑴𝒓𝒔(𝟏)% = 30%

𝑴𝒓𝒔(𝟐)% =28.5 %

𝑀𝑟ℎ% 13.8 = 𝑥 100% 20

𝑀𝑟ℎ 13.6 = 𝑥 100% 20

𝑴𝒓𝒉(𝟑)% = 69%

𝑴𝒓𝒉(𝟒)% = 68%

𝑀𝑟ℎ% 5 = 𝑥 100% 20

𝑀𝑟ℎ =

5.2 𝑥 100% 20

𝑴𝒓𝒉(𝟐)% = 26%

𝑴𝒓𝒉(𝟏)% = 25%

𝑀𝑟𝑠% 6.2 = 𝑥 100% 20

𝑀𝑟𝑠% 6.4 = 𝑥 100% 20

𝑴𝒓𝒔(𝟑)% = 31%

𝑴𝒓𝒔(𝟒)% = 32%

𝑀𝑟𝑠% 15 = 𝑥 100% 20

𝑀𝑟𝑠% 14.8 = 𝑥 100% 20

𝑴𝒓𝒔(𝟏)% = 75%

𝑴𝒓𝒔(𝟐)% = 74%

𝑀𝑟𝑠% 15.3 = 𝑥 100% 20

𝑀𝑟𝑠% 15.5 = 𝑥 100% 20

VAC A 𝑀𝑟ℎ% 4.7 = 𝑥 100% 20

𝑀𝑟ℎ =

4.5 𝑥 100% 20

𝑴𝒓𝒉(𝟒)% = 22.5%

𝑴𝒓𝒉(𝟑)% =23.5 %

𝑴𝒓𝒔(𝟑)% =76.5 %

𝑴𝒓𝒔(𝟒)%= 77.5%

Fuente: Elaboración propia



Rendimiento de la materia:

Para poder elaborar el rendimiento de ambos guanos, tomamos la cantidad que hay dentro de cada botella, en este caso el de 1kg equivalente a 1000g con respecto a la humedad obtenida.

Si: CUY Si: Si: VACA Si:

20g 1000g 20g 1000g 20g 1000g 20g 1000g

14g 700g 13.8g 690g 5g 250g 4.7g 235g

FUENTE: Elaboración propia

Fórmula para hallar el rendimiento:

Si: Si: Si: Si:

20g 1000g 20g 1000g 20g 1000g 20g 1000g

14.3g 715g 13.6g 680g 5.2g 260g 4.5g 225g

𝑹% =

𝑹𝒓 𝒙 𝟏𝟎𝟎% 𝑹𝒕

700 𝑥 100% 1000 𝑹% = 𝟕𝟎%

𝑅% =

690 𝑥 100% 1000 𝑹 %=69%

𝑅% =

250 𝑥 100% 1000 𝑹 %=25%

𝑅% =

235 𝑥 100% 1000 𝑹% = 𝟐𝟑. 𝟓%

𝑅% =

𝑅% =

715 𝑥 100% 1000 𝑹 %=71.5%

CUY 𝑅% =

𝑅% = VACA

𝑅% =

680 𝑥 100% 1000 𝑹 %=68% 260 𝑥 100% 1000 𝑹 %=26%

225 𝑥 100% 1000 𝑹 %=22.5%

FUENTE: Elaboración propia

A partir de las 4 muestras, obtenemos un resultado promedio.

CUADRO N°4: Rendimiento promedio del guano de res y de cuy CUY

69.625%

VACA

24.25%

5. DISCUSIONES -

El guano de cuy tiene un poder energético que supera hasta tres veces el guano de vaca y eso es un gran potencial para las familias que crían, si un

biodigestor de 10m3 de capacidad alimentada con guano de vaca debe producir 1m3 de gas, el guano de cuy produce hasta 3m3 de gas diarios, o sea tres veces más. Morales E. (2017). -

El biogás producido por 10m3 de guano de cuy debe alcanzar para cuatro o cinco horas de uso diario en una cocina de tamaño medio en una casa. Moreno U. (2017).

-

En muchas zonas rurales del Perú, aún se utiliza la bosta para cocinar, la secan y la queman y eso sí genera muchos gases tóxicos y muchas enfermedades respiratorias. Se está contaminando y están mal utilizando los guanos que deberían regresar al campo. En cambio, con un biodigestor, las poblaciones tuvieran una fuente de energía limpia y barata y tendrían sus bioabonos y podrían vender los excedentes. MINAGRI (2015).

-

En los primeros 7 días de fermentación se obtuvo gas no combustible, con respecto al proceso de biodigestión, esto se debe al estiércol utilizado, que a pesar de ser el de mayor rendimiento, es el que tiene un tiempo un poco mayor con respecto al guano de res y de cerdo. Vega J. (2015).

-

El biogás se produce con una velocidad de producción de 0.194 m3/día y una concentración de metano del 55% dentro de la composición del biogás de guano de cuy. Vega J. (2015)

6. CONCLUSIONES -

Se determinó la cantidad de materia orgánica producida en los biodigestores artesanales de guano de vaca y cuy. Siendo la proporción de rendimiento para el guano de vaca de 1:10 y para el guano de cuy de 3:10, teniendo una duración estimada para ambos de 4 a 5 horas aprox.

-

Se pudo conocer el funcionamiento de los biorreactores y su utilización en la industria alimentaria.

-

Se logró conocer de forma experimental el funcionamiento de un biodigestor artesanal utilizando guano de vaca y de cuy, teniendo en cuenta los parámetros de adecuados de proceso, como la temperatura y pH.

-

7. RECOMENDACIONES -

Para la fabricación de los biodigestores artesanales utilizar recipientes gruesos, los cuales podrán resistir el aumento de presión, evitando roturas en el envase y/o accidentes.

-

Verificar que las conexiones del sistema estén herméticamente cerradas.

-

Observar cada cierto tiempo, la presión marcada en el manómetro, para realizar los cálculos correctamente y controlar las posibles fugas.

8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Catalina, D. M. (2018). Biodegradación del metano en un biorreactor de columna de burbujeo con recirculación interna. Universidad de Valladolid: Escuela de Ingenierías Industriales. Smith, J. (2004). Biotecnología. Editorial Acribia. SANDOVAL, F. (2006). Disminución de la demanda química de oxígeno (DQO) en vinazas mediante tratamiento biológico. México. BIBLIOGRAFIA López, E. G. (2004). Diseño,construcción y caracterización dinámica de un biorreactor multifuncional. México: Universidad Tecnológica de Mixteca. Vasquez, M. G. (2010). Diseño de Biorreactor de tanque agitado. Microbiología industrial, 1-6.

Vega A. J (2015). “Diseño, construcción y evaluación de un biodigestor semicontinuo para la generación - de biogas con la fermentación anaeróbica del estiércol de cuy y de conejo para la institución educativa privada cristiana BERESHI" . Universidad Nacional del Santa – Chimbote –Perú.