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UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

CURSO: DISEÑO DE EQUIPOS AGROINDUSTRIALES

Tema ELABORACIÓN DE UN BIORREACTOR CON AGITADOR MECÁNICO PARA LA FERMENTACIÓN DE LA CHICHA DE MAIZ (zea-maiz)

Docente: Ing.: Erik Edwin Allcca Alca Presentado por: Cesar Pelagio Mamani Parizaca Roberto Martin Cuela Chambilla Teófilo Ramos Tacuri Anderson Laque Ibañes Yulimar Yanqui Luque Jofre Juárez Acahuana

Lucio Mateo Ramírez López

Ciclo: VII MOQUEGUA

-2017-

Diseño de equipos agroindustriales

ÍNDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 3 I.- OBJETIVOS............................................................................................................................ 3 1.1.- Objetivo General............................................................................................................ 3 1.2.- Objetivos Específicos ...................................................................................................... 3 II.- MARCO TEÓRICO ................................................................................................................. 4 2.1.- ¿Qué es un Biorreactor? ................................................................................................. 4 2.2.- Diferentes Tipos De Biorreactor ..................................................................................... 4 2.3.- Biorreactores Con Agitación Mecánica ........................................................................... 4 2.3.1.- Sin circulación interna. ..................................................................................................... 4 2.3.2.- Con circulación interna. ................................................................................................... 5 2.4.- Biorreactor Con Agitación Neumática ............................................................................ 5 2.4.1.- Sin circulación. ................................................................................................................. 5 2.4.2.- Con circulación interna. ................................................................................................... 6 2.4.3.- Con circulación externa.................................................................................................... 6 2.5.- Biorreactor con agitación por bombeo y recirculación: fermentador de chorro. .............. 6 2.6.- Mezcla y agitación de biorreactor .................................................................................. 7 2.6.1.- Agitadores mecánicos ...................................................................................................... 7 2.6.1.1.- Agitadores de Hélice ................................................................................................. 8 2.6.1.2.- Agitadores de Paletas................................................................................................ 8 2.6.1.3.- Agitadores de Turbina ............................................................................................... 9 2.6.2.- Deflectores ....................................................................................................................... 9 2.7.- MATERIALES Y MÉTODO .............................................................................................. 10 2.8.- Método....................................................................................................................... 10 2.9.- Procedimiento ............................................................................................................ 10 2.9.1.- Elaboración del biorreactor con agitador mecánico ...................................................... 10 III.- RESULTADOS Y DISCUSIONES..................................................................................................... 11 3.1.- Cálculo De Las Dimensiones Del Biorreactor ........................................................................ 11 3.2.- Determinando la viscosidad .................................................................................................. 11 3.3.- Determinando el número de Reynolds ................................................................................. 12 IV.- CONCLUSIONES ................................................................................................................ 13 V.- BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................... 13

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INTRODUCCIÓN Un biorreactor o fermentador es un recipiente en el cual se ponen en presencia una de otra a fin de que se desarrolle el proceso microbiológico, las fases bióticas y abióticas del sistema. (Carrero, 1999) Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biológica. Externamente el biorreactor es la frontera que protege ese cultivo del ambiente externo: contaminado y no controlado. 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; esa es la parte tecnológica. (Moreno, 1998) Cualquiera que sea el tipo de microorganismo, el biorreactor debe permitir un contacto entre las 2 fases bióticas y abióticas del sistema. El buen desempeño está asociado a los fenómenos de transferencia entre las células y el medio de cultivo (Fogler, 2008), y. Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos simples que pueden resistir la fuerza de agitación. También son fáciles de mantener ya que requieren sólo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.

I.- OBJETIVOS 1.1.- Objetivo General  Elaboración de un biorreactor con agitador mecánico

1.2.- Objetivos Específicos  Determinar las dimensiones para el diseño del biorreactor  Evaluar los parámetros de chicha fermentada, por ejemplo la densidad, la viscosidad, y los cálculos del birreactor con agitación mecánica

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II.- MARCO TEÓRICO 2.1.- ¿Qué es un Biorreactor? En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico. Estos biorreactores Es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable. (Vergara, 2008) Un biorreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para hacer crece células o tejidos en operaciones de cultivo celular. Estos dispositivos se encuentran en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos. (Moreno, 1998) y. 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. En función de los flujos de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos: Lote, Lote alimentado y Continuo.

2.2.- Diferentes Tipos De Biorreactor Los biorreactores pueden ser más o menos elaborados en su concepción según el tipo de cultivo al cual se destinan. Generalmente los biorreactores se construyen de vidrio, los más pequeños en acero inoxidable., (Shin, 2013) y.  Biorreactores con agitación mecánica  Biorreactor con agitación neumática  Biorreactor con agitación por bombeo y recirculación: fermentador de chorro.

2.3.- Biorreactores Con Agitación Mecánica 2.3.1.- Sin circulación interna. Según el, (Moreno, 1998) . En este tipo de biorreactor es conveniente para la producción de antibióticos. Se trata de procesos, generalmente exotérmicos. Que utilizan microorganismos. Filamentosos (bacterias, mohos) relativamente frágiles y sensibles a la acción de cizalladora y cuyas necesidades de oxigeno no son muy grandes.

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Diseño de equipos agroindustriales Para reducir el efecto de cizalladura la velocidad de rotación del agitador es del orden de 50-60 vueltas por minuto. Esto da una velocidad periférica en el extremo de la paleta del orden de 5 m por segundo. En estas condiciones, la cizalladura es reducida, pero al mismo tiempo se segura la transferencia del oxígeno que los microorganismos necesitan. (Bernal, 1996) 2.3.2.- Con circulación interna. Chemapec propone un biorreactor con circulación interna dotado de un dispositivo de agitación – aireación patentada: la turbina Effigas. Su buena capacidad de transferencia de oxigeno permite su empleo en la producción de biomasa. Para facilitar la eliminación de las calorías producidas el tubo de circulación se ha diseñado con placas ajustadas a canales térmicos uddeholm. Así se facilitan 2 acciones complementarias una de la otra: se mejora la circulación de fluido en el interior de la cuba y se aumenta el coeficiente de transferencia térmica. En la base del tubo de circulación se encuentra la turbina Effigas. (Shin, 2013), y también. Se trata de un móvil de agitación diseñado como el rotor de una bomba centrifuga. El líquido de fermentación y el gas de aireación se aspiran por la parte central de la pieza. Es gas es aspirado a partir de un conducto que lo lleva por la parte superior de la turbina en lo alto de la cuba. La mezcla gas-líquido así formada es impulsada radialmente al exterior del tubo de circulación (Carrero, 1999)

2.4.- Biorreactor Con Agitación Neumática Según él (Fogler, 2008). La elevación del costo energético de la transferencia de oxigeno conduce en ciertos casos al diseño de biorreactores desprovisto de dispositivos de agitación mecánica. En estos casos la introducción de gas es lo que provoca la agitación. 2.4.1.- Sin circulación. En el caso de procesos microbiológicos que no necesitan una transferencia de oxigeno importante, se utilizan colonias en burbujas. Se trata de cubas en las que la altura es muy superior al diámetro, de modo de aumentar el tiempo de permanencia medio de las burbujas de gas emitidas en la parte inferior por una corona provista de agujeros. Las colonias en burbujas son convenientes para el cultivo de ciertos

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Diseño de equipos agroindustriales microorganismos (bacterias filamentosas, mohos), pero también a los cultivos de tejidos, especialmente sensibles a la acción de cizalladura. (Moreno, 1998) 2.4.2.- Con circulación interna. Los primeros biorreactores con circulación interna fueron desarrollados y propuestos por Lefrancois y Mariller desde 1952. Todos son diseñados para la fermentación continua. En las cubas de tamaño pequeño, la suspensión celular se expande en la zona central donde también tiene lugar la alimentación del medio de cultivo. (Moreno, 1998),y. En las cubas de tamaño grande, el sentido de la circulación es inverso, la expansión del fluido de fermentación y la alimentación hace en la zona periférica. 2.4.3.- Con circulación externa. En ciertos biorreactores la circulación del fluido de fermentación no está organizada en el interior de un mismo recipiente, en 2 compartimientos concéntricos, sino en 2 colonias separadas. Es el caso del fermentador de rizo externo. Este biorreactor tiene una altura del orden de 30m. En la columna montante tiene lugar la principal fase de oxigenación. El aire se introduce por un tubo perforado. En la parte superior se comunica con una canalización horizontal que tiene una abertura que permite la salida del gas que fluye. A la entrada del compartimiento descendente se hace una reinyección de aire. Esto provoca un aumento en la velocidad de circulación contra la base, en la parte en la que está instalado el intercambiador de calor de manera de obtener un buen coeficiente de intercambio térmico. (Moreno, 1998)

2.5.- Biorreactor con agitación por bombeo y recirculación: fermentador de chorro. Es posible provocar la agitación en el seno de los líquidos con ayuda de bombas. Este chorro líquido, utilizable en la agitación de reactores anaerobios puede estar asociado a un dispositivo de introducción de gas en el caso de los reactores aerobios. Este mecanismo, implicando una circulación del fluido de fermentación mediante una canalización externa al reactor, sobre la cual se encuentra la bomba, está adaptado, en ciertos casos a un fermentador de circulación interna. (Doran, 2009)

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Diseño de equipos agroindustriales Estos biorreactores están destinados a la producción de proteínas de organismos unicelulares, sobre diferentes tipos de substratos, lo que implica por razones de rentabilidad instalaciones de gran capacidad., (Fogler, 2008) y. Uno de los inconvenientes de los procedimientos microbiológicos es que se desarrollan en medios acuosos diluidos. Esto implica el tratamiento de grandes volúmenes y la evaporación o eliminación de agua al término de la fermentación.

2.6.- Mezcla y agitación de biorreactor Mezclar no es lo mismo que agitar. Agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera in movimiento generalmente circulatorio en el interior de un recipiente. Mezcla es la distribución al azar, de dos fases inicialmente separadas. Eso implica partir de dos fases individuales, y lograr que ambas fases se distribuyan al azar entre sí. (Fogler, 2008), y. Los objetivos de la agitación pueden ser:  Mezcla de dos líquidos miscibles (ej.: alcohol y agua)  Disolución de sólidos en líquido (ej.: azúcar y agua)  Mejorar la transferencia de calor (en calentamiento o enfriamiento)  Dispersión de un gas en un líquido (oxígeno en caldo de fermentación)  Dispersión de partículas finas en un líquido  Dispersión de dos fases no miscibles (grasa en la leche) 2.6.1.- Agitadores mecánicos Los agitadores mecánicos consisten en un rodete montado en un eje y accionado por un motor eléctrico. Se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas al eje del agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o radial. Los primeros se llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial. Los tres tipos principales de agitadores son: de hélice, de paletas, y de turbina. Que se generan en tanques agitados mediante: (a) Agitador concéntrico al tanque sin deflectores, se forma un vórtice en la superficie del fluido. (b) Una ubicación desfasada del eje reduce el vórtice. (c) Agitador axial con deflectores. (d) Agitador radial con deflectores. (Fogler, 2008) 7

Diseño de equipos agroindustriales Los deflectores evitan la formación del vórtice. Figura 1.. Patrones de flujo en tanques agitados

Fuente: (Fogler, 2008) 2.6.1.1.- Agitadores de Hélice Un agitador de hélice, es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad elevada y se emplea para líquidos pocos viscosos. Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño. (Moreno, 1998) Figura 2. Agitador tipo hélice

Fuente: (Moreno, 1998) 2.6.1.2.- Agitadores de Paletas Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado por una paleta plana, que gira sobre un eje vertical. Las paletas giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén inclinadas. Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared del tanque y

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Diseño de equipos agroindustriales después siguen hacia arriba o hacia abajo. La Figura 1.6 muestra un agitador de paletas. (Doran, 2009) Figura 3: Agitador tipo paleta

Fuente: (Doran, 2009) 2.6.1.3.- Agitadores de Turbina La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas, que giran a velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque. Las aspas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El patrón de flujo es radial con aspa vertical o axial con aspas inclinadas. El rodete puede ser abierto, semi-cerrado o cerrado. (Carmi, 2009). La Figura 1.7 muestra dos agitadores de turbina. (Moreno, 1998) Figura 4. Agitador tipo turbina

Fuente: (Moreno, 1998) 2.6.2.- Deflectores También llamados bafles, son elementos soldados dentro del tanque por medio de unos corches, y reducen los vórtices en el fluido. La anchura de los deflectores depende del diseño del rodete y la viscosidad del fluido. También estos suelen estar adheridos o separados de la pared del tanque e incluso tener un ángulo de inclinación con respecto al eje del tanque. Se usan cuando existe un agitador mecánico disposición de los deflectores en el tanque de mezcla. (Shin, 2013) 9

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Fuente: (Shin, 2013)

2.7.- MATERIALES Y MÉTODO Materiales  Motor eléctrico de 1500 rpm  Termómetro digital  Un balde de plástico de 8 litros  Caño de plástico  Manguera de plástico de ¼ pulgadas  Cúter  Caño de plástico

2.8.- Método El método empleado en el diseño del prototipo del Biorreactor fue Experimental

2.9.- Procedimiento 2.9.1.- Elaboración del biorreactor con agitador mecánico Primero: se adquirió los materiales y equipos para realizar el trabajo Segundo: se realiza el diseño y ejecución de nuestro biorreactor con agitación mecánica con todos los materiales adquiridos. Tercero: se realizan las medidas correspondiente del equipo para determinar lo cálculos, para ello se determinó la viscosidad, densidad y velocidad en el laboratorio de la escuela profesional de ingeniería agroindustrial

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III.- RESULTADOS Y DISCUSIONES 3.1.- Cálculo De Las Dimensiones Del Biorreactor Capacidad para 6 litros Datos V= 6 litros Dt = 0,2m Dr. = 0,065m H =0,2m E =0,065m W = 0,013m L= 0,016

3.2.- Determinando la viscosidad Viscosidad de la chicha

Datos de la canica

Tiempo = 3.40 seg

m= 12.37 g

Altura o distancia = 0.18 m

𝛾 = 1.3 𝑐𝑚 = 0.0136 𝑚

Formula = 𝜂 =

𝛄𝐛𝐨𝐥𝐚 −𝛄𝐟𝐥𝐮𝐢𝐝𝐨 𝐱 𝐃𝟐𝐭

Datos de la chicha V= 6 L

4 𝑉 = 𝜋 𝐷3 3 4 𝑉 = 𝜋(0.0136 𝑚)3 3

𝜌= 1.038 g/cm3

𝑉 = 9.20 𝑥 10−6 𝑚3

g= 9.81 m/s2 𝛾 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜

𝑉 = 0.00000920 𝑚3 𝜌=

𝛾 =𝜌𝑥𝑔 𝛾 = 1.038

g= 9.81 m/s2

18𝑉

𝑘𝑔 𝑚 𝑥 9.81 2 3 𝑚 𝑠

𝛾 = 10182.78

𝑚 𝑉

𝑚 = 12.37 𝑔 (

𝑁 𝑚3 𝜌=

1 𝑘𝑔 ) 1000 𝑔 = 0.01237 𝑘𝑔

0.01237 𝑘𝑔 𝑘𝑔 = 1344.56 3 9.20 𝑥 10−6 𝑚 11

Diseño de equipos agroindustriales 𝛾 =𝜌𝑥𝑔 𝛾 = 134.56

𝑉= 𝑘𝑔 𝑚 𝑥 9.81 2 3 𝑚 𝑠

𝛾 = 13190.13

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 =

𝜂=

𝑁 𝑚2

0.18 𝑚 𝑚 = 0.053 3.40 𝑠𝑒𝑔 𝑠

𝛾𝑏𝑜𝑙𝑎 − 𝛾𝑐ℎ𝑖𝑐ℎ𝑎 𝑥 𝐷𝑡 2 18 𝑉

𝜂 𝑚 𝑁 13190.13 𝑠 − 10182.78 3 𝑥 (0.1969 𝑚)2 𝑚 = 𝑚 18 𝑥 0.053 𝑠

𝑑 𝑡

𝜂 = 122.216

𝑘𝑔 𝑚𝑠

3.3.- Determinando el número de Reynolds 𝑁𝑟𝑒 =

𝐷𝑡 2 ∗ N ∗ ρ η

(0.2𝑚)2 ∗ (25rps) ∗ 1038kg/𝑚3 122.216kg m∗s

𝑁𝑟𝑒 =

𝑁𝑟𝑒 = 8.∗ 101 𝑅𝑒 < 2.100 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝐿𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟

3.4.- Determinando el potencia para el cálculo del agitador 𝑁𝑝 =

p ρ ∗ Nᵌ ∗ Dˢ

𝑃 = 𝑁𝑝 ∗ ρ ∗ Nᵌ ∗ Dˢ 𝑃 = (6) ∗

(1038kg 𝑚3

) ∗ (25 ∗ 1/s)ᵌ ∗ (0,2m)ˢ

𝑃 = 3114 𝑊 𝑃 = 4,2𝐻𝑝

3.5.- Determinando la eficiencia de motor en el fluido La potencia del motor por agitación mecánica es de 100 watts y convirtiendo es Hp es 0,01341

𝑒=

potencia transmita del fluido ∗ 100% potencia transmitida del motor 𝑒=

0,01341Hp ∗ 100% 7Hp

𝑃 = 1,92% 𝒍𝒂 𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆𝒍 𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓

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IV.- CONCLUSIONES La estimación de factores como la transferencia de oxígeno, el tiempo de mezclado, niveles de agitación, la capacidad de generar y eliminar calor, requieren diferentes enfoques para distintos tipos de configuraciones de biorreactores. Todo esto relacionado al tiempo es lo que hace que el diseño de estos equipos sea un complejo ejercicio de ingeniería.

V.- BIBLIOGRAFÍA Bernal, J. B. (1996). Diseño de biorreactores y enzimología. Murcia, España: Editorial EDITUM. Carrero, L. S. (1999). Biorreactores. Sevilla, España: Editorial Científico-Técnica. Doran, P. M. (2009). Principios de ingeniería de los bioprocesos. España: Editorial Acribia S.A. Fogler, H. S. (2008). Elementos de ingeniería de las reacciones químicas. Míchigan, Estados Unidos: Editorial Pearson. Moreno, S. G. (1998). Diseño de biorreactores. Murcia, España: Editorial EDITUM. Shin, H. S. (2013). Feed-Batch Cultures: Principios y Aplicaciones de los Biorreactores Semi-Batch. Cambridge, Reino Unido: Editorial University Press. Vergara, C. G. (2008). Diseño y construcción de un biorreactor tipo Frings para la producción de vinagre de vino a pequeña escala. Concepción, Chile: Editorial Académia Los Angeles.

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