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“AÑO Del BUEN SERVICIO AL CIUDADANO ”

“UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUMBES” FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS ESCUELA DE AGROINDUSTRIAS

TEMA

:

" Diseño de Biorreactor de Tanque Agitado” ASIGNATURA

:

Biotecnología Agroindustrial DOCENTE:

Ing. Frank Edwin Torres Infantes INTEGRANTES:

Arevalo Aguirre, Yicson Javier. Carrasco Veliz, Belen Leon Gonzales, Fiorela. Varas Garrido, Heidy Monica.

CICLO: IX

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUMBES

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS ESCUELA DE ING. AGROINDUSTRIAL

PRESENTACIÓN

En el curso de biotecnología agroindustrial tengo el agrado de presentar el siguiente informe que contiene datos e investigaciones sobre los la descripción y diseño de un biorreactor tanque agitado en el laboratorio, y en dicha práctica, teniendo como tema del “diseño de biorreactor” Esperando que la información dada sea

de mucho

interés

desarrollo

y

de

ayuda

para

nuestro

profesional.

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I.

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Introducción Una de las tareas del ingeniero cuando está frente a una serie de operaciones que transforman ciertos insumos o materias primas mediante procesos físicos y químicos consiste en el dimensionamiento de los equipos correspondientes. En los casos en que se dan transformaciones químicas (o bioquímicas) de la materia, el corazón del proceso se da en el reactor químico. Para diseñar un reactor debe contestarse una serie de preguntas tales como: ¿qué tipo de equipo se necesita para lograr la extensión de la reacción requerida? operación

¿Qué

condiciones

(temperaturas,

de

presión,

velocidades de flujo) se necesitan? La respuesta

a

estas

cuestiones

constituye el diseño del proceso del reactor. El análisis de costos para determinar el diseño más rentable introduce nuevos factores tales como los materiales de construcción, la prevención de la corrosión, los requerimientos de operación y mantenimiento, etc. Para optimizar los costos deberá tenerse en cuenta además la instrumentación y mecanismos de control. Más factores pueden seguir introduciéndose antes de llegar a la decisión final. No obstante en este curso nos restringiremos exclusivamente al diseño del proceso. La combinación de los procesos físicos y químicos a los efectos del diseño del reactor se hace recurriendo a las ecuaciones de las leyes de conservación de la materia y la energía para cada tipo de reactor. Para el diseño del proceso debe disponerse

de

información

proveniente

de

diferentes campos: termodinámica, cinética química, mecánica de fluidos, transmisión de calor y transporte de materia.

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II.

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Objetivos: 

Observar el funcionamiento de un birreactor de laboratorio.

 Diseñar birreactores agitados y calcular su potencia.

III.

Fundamento Teórico: El Reactor de Tanque Agitado: El reactor de tanque agitado consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo de materia reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida no sea demasiada viscosa. El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior del tanque se produzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reacción, y que no existan o queden espacios muertos. Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perfecta, si el tiempo de circulación de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor. En el reactor continuamente agitado, ocurre la reacción exotérmica A

B.

Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara (camisa de refrigeración) a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de estudio, se han hecho las siguientes suposiciones:  Las pérdidas de calor circundantes son despreciables  Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas de los reactantes y los productos son ambos iguales y constantes.  Mezcla (agitación) perfecta en el reactor, por tanto la concentración, presión y temperatura son iguales en cualquier punto del tanque

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 Temperaturas Uniformes en ambas cámaras (camisa de enfrentó y/o calentamiento) Volúmenes Constantes. Por lo general, los reactores continuos de tanque agitado (CSTR) se operan cerca de o en puntos de equilibrio inestables, que corresponden a una producción óptima del proceso. Aun cuando el punto de equilibrio sea estable a lazo abierto, este puede ser muy sensible a cambios de carga (e:g:; cambios en las condiciones de alimentación). Debido a que los CSTR son comúnmente la parte central de un proceso químico completo, el control de la operación del CSTR ha sido uno de los problemas más importantes en la industria química. La regulación de temperatura es la operación de control más sencilla de los CSTR. La mayoría de controladores de temperatura en la industria química son controladores PI clásicos. Existen muchas razones para esto, incluyendo sus antecedentes de operación probada, el hecho que se entienda bien el funcionamiento por parte de los técnicos, operadores industriales y personal de mantenimiento. Además, en muchas aplicaciones, el hecho que un controlador PI diseñado adecuadamente y bien sintonizado logre a los objetivos de control. Un controlador industrial PI tiene muchas ventajas adicionales que lo hacen práctico para la operación de un CSTR. Por ejemplo, cuenta con interrupción automática y manual, seguimiento del punto de referencia (set point) y modos manuales de emergencia. Básicamente, el controlador PI para regulación de temperatura se diseña en base a una linealización alrededor del punto de equilibrio de operación. El diseño y análisis de controladores PI para la estabilización y regulación de CSTR se originaron en el trabajo de Aris y Amundson en los cincuentas, y ha dado lugar, desde entonces, a una literatura abundante y numerosas aplicaciones ex tosas. Sin embargo, existen preguntas teóricas importantes que todavía están abiertas. Una de ellas, la cual es el objetivo de esta parte del proyecto, es la posibilidad de optimizar una ley de control que permita una mejor respuesta tanto en tiempo de establecimiento como en la exactitud del seguimiento a una consigna (set point); así como la capacidad de minimizar los efectos de las perturbaciones, evitando control del sistema; o, lo que es lo mismo, asegurar estabilidad asintótica en lazo cerrado. Es en este camino, la justificación del diseño y simulación de correguladores Óptimos y Adaptivos.

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PARTES DE UN BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO 1. RECIPIENTE Según los recipientes para experimentos de laboratorio son de hasta 20 L de volumen y para volúmenes mayores su construcción es de acero inoxidable. La relación altura a diámetro del recipiente puede variar entre 2:1 y 6:1 dependiendo en gran medida de la cantidad de calor que será eliminado. El agitador puede ser accionado desde la parte superior o desde la parte inferior.

2. AGITADORES Las principales funciones de los agitadores en un biorreactor tienen por objetivo lo siguiente:  Dispersar el aire en la solución de nutriente.  Obtener una temperatura y una concentración de nutrientes en todo el recipiente  Suspender los microorganismos y los nutrientes sólidos.  Dispersar cualquiera de los líquidos inmiscibles presentes. Por lo general, el número de agitadores depende de la relación altura/diámetro. El

agitador

del

fondo

está

colocado

a

una

distancia

de

aproximadamente un tercio del diámetro del tanque por encima del fondo del tanque. Hay tres tipos principales de agitadores que son usados en un biorreactores que son: 1. Turbina. 2. Impulsor 3. MIG/INTERMIG.

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La turbina de Rushton es el más común de los tres tipos de agitadores. Consta de varias paletas sujetas a un eje central. El diámetro de una turbina esta normalmente entre el 30 y el 50% del diámetro del tanque y, por lo general, hay entre cuatro a seis paletas. 3. AIREADORES La velocidad de aireación superficial (es decir, la velocidad de flujo volumétrico del gas dividida por el área de la sección transversal de la vasija) en vasijas agitadas debe permanecer por debajo del valor necesario para inundar el agitador (un agitador se inunda cunado recibe más gas del que puede disipar efectivamente). Un agitador inundado es un mal mezclador. La velocidad superficial no exceden generalmente lo 0.05 m.s-1. Los tanques agitados son entre los tipos más ampliamente utilizados de biorreactores, especialmente para la producción de antibióticos y ácidos orgánicos. Adicionalmente se puede mencionar que:  Existe una amplia variedad de formas y tamaños de rodetes que producen diferentes tipos

de flujos en el

recipiente.

Considerándose a la turbina tipo Rhuston como la tipo universal pues opera en amplios rangos de viscosidad.  Es recomendable llena con liquido solo el 70 a 80%del volumen de birreactor.  Si la formación es espuma es problema se instala otro rodete o rompedor de espuma.

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CONSIDERACIONES QUE SE DEBEN TOMAR EN CUENTA PARA SU DISEÑO  Deflectores Todos los tanques están provistos con amparas (deflectores) que evitan la formación de un gran vértice central y mejoran el mezclado. Usualmente se instalan cuatro mamparas con una relación de anchura de 1:10 y 1:12. Si la disipación de calor es un problema, como puede ser para biorreactores mayores de 100m3, se puede usar hasta 12 mamparas y se puede pasar refrigerante a través de estas.  Rodetes Los rodetes otra parte de un biorreactor estos se posicionan por debajo del centro geográfico. La distancia del fondo será igual al diámetro del rodete o 1:3 del diámetro del tanque. Por otro lado hay que tener encuentra cuando se utilizan fluidos newtonianos la relación entre el diámetro del tanque y el rodete es normalmente 3:1. La distancia entre rodetes debe ser 1.0 a 1.5 veces el diámetro del rodete.

IV.

MATERIALES  Recipiente de vidrio – Biorreactor de tanques agitado  Material acrílico para la construcción de deflectores y rodete  Motor eléctrico de 12 v  Comprensora  Piedra aspersor  Manguera de conexión  Cronometro

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 Voltímetro y amperímetro

V.

RESULTADOS  Características del biorreactor  Volumen total del reactor

:VT

 Volumen de operación

:70% = 2100 ml

 Diámetro del reactor

:Dt

 Altura del reactor

= 3000 ml

= 15.5 cm :Ht

= 16 cm

 Relación altura/diámetro

:Ht/Dt

= 1.03

 Altura de dispersión

:H

 Velocidad del agitador sin aire

:Vsa = 145.75 rpm

 Velocidad del agitador con aire

:Vca = 184.5 rpm

= 0.2 mm

 Cálculos

VI.

 Consumo de potencia sin aireación

:Po

= 24 wats

 Consumo de potencia con aireación

:Pg

= 15 wats

 Tiempo de mezcla (teórico)

:tm

= 8 min

 Tiempo de mezcla (real)

:tr

= 0.72 ms

 Caudal de aire

= 0.016 L/s

 Voltaje

= 1.5 A

 Potencia eléctrica

= 16 A

DISCUSIONES DE RESULTADOS Los criterios más importantes para el diseño de un biorreactor pueden resumirse del siguiente modo dependiendo del tipo de biorreactor y la fermentación a utilizar (Mitchell et al., 1992), es verdad que hay que en muchos casos puede ser el biorreactor pero también el buen diseño de este también puede diferenciarse mucho en un proceso.

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La fermentación en medio sólido ofrece una serie de ventajas económicas sobre los procesos convencionales de fermentación sumergida para la obtención de productos de alto valor agregado (Castilho et al., 2000). VII.

CONCLUSIONES  Si es posible diseñar un biorreactor tanque agitado a nivel de laboratorio.  Al finalizar la práctica se logró observar el funcionamiento del biorreactor como la capacidad, características geométricas (esquema del biorreactor), sistema de agitación del líquido, patrones de flujo, sistema de aireación, etc., del biorreactor de tanque agitado (SRT).  Los cálculos en el diseño de un biorreactor son muy importantes para su posterior funcionamiento.  La potencia del motor es muy importante para el trabajo del agitador.  Con toda la investigación desarrollada se comprobó que el desarrollo de un método para el diseño de biorreactores continuos, que incluye de manera integral el análisis del comportamiento de estado estacionario y transitorio del sistema ante cambios en los parámetros de operación, permite obtener procesos biotecnológicos más eficientes y confiables en cuanto a operabilidad.

VIII.

RECOMENDACIONES  En muchos casos en su diseño la vasija puede quebrarse, es por eso que se recomienda tener mucho cuidado cuando se está diseñando.  Hay que tener en cuenta los cálculos que son muy importantes para tener un biorreactor eficiente y que nos dé un buen trabajo.  En el cálculo del distanciamiento de los deflectores es muy importante que estén bien sus cálculos para que no haya problemas con los vértices.

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 Cuando se instala el motor para el funcionamiento del agitador hay que asegurarnos que este esté fijo y no tenga vibración para tener mejores resultados. IX.

BIBLIOGRAFIA  Ruíz-Leza, H. A., et al. "DISEÑO DE BIORREACTORES PARA FERMENTACIÓN EN MEDIO SÓLIDO BIO-REACTORS DESING FOR

SOLID

STATE

FERMENTATION." Revista

Mexicana

de

ingeniería química 6.1 (2007): 33-40.  Schuegerl, K. 1982. New biorreactors for aerobic processes. Int. Chem. Eng. 22: 591-610.  Doran, P. 1998. Principios de ingeniería de los bioprocesos. Edit. Acribia S.A. España.  Vasquez, V. 2004. Guía de laboratorio de biotecnología de los alimentos UNT – Trujillo.  Alan Scragg. “BIOTECNOLOGIA PARA INGENIEROS”, Edit. Limusa S.A. MEXICO, 2009, 287-298 X.

ANEXOS

REALIZANDO EL CORTE DE LA DAMAJUANA PARA EL DISEÑO DEL BIORREACTOR

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DISEÑAMDO Y CONTRUYENDO LOS DEFLETORES Y EL DISEÑO FINAL DEL BIORREACTOR

XI.

TRABAJO PRACTICO

1) Diseño de un Biorreactor de tanque agitado para un volumen total de 75 litros. a) Volumen de operación 70 % del volumen total. => 75 x 0.7 = 52.5 Litros b) Altura de operación (Ha) y diámetro de recipiente (D) Si: Ha = 1.25 D y

Volumen de operación = Área x altura de

operación  52.5 L = D2 x π x 1.25D / 4 4 x 52.5 L x 1 m3 / 1000L = 1.25D3 x π D = ((4 x 52.5 L / 1000 x 1.25 x π))1/3 D = 0.3767m

D = 37.87cm  H = 1.25 D = 47.34cm

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c) Tamaño de deflectores: Largo = Ha – D/3; Ancho = D/10  Largo = 47.34 – 37.87/3 = 34.67cm  Ancho = 37.87/10 = 3.79 cm d) Calculo del tamaño total de la turbina: Tt = 0.6 x D  Tt = 0.6 x 37.87 = 22.72 e) Tamaño del diámetro de la turbina: Dt = 2Tt / 3  Dt = 2 x 22.72 / 3 = 15.15 cm

f) Tamaño las elipses de la turbina: Et = 1.30 (Tt / 3); donde 0.3 x (Tt / 3) es la distancia que ira circunscrita en el diámetro de la turbina

 Et = 1.3 x (22.72/ 3) = 9.85 cm

g) Cálculo del número de potencia: Np= 5.46 x 5 *(Dt/Tt)  Np = 5.46 x 5 (15.15 / 22.72) Np= 18.21

h) Cálculo de velocidad del agitador: Vi = NR.U / Tt2. ρ

 V = 4000 * 0.985 x 10-3 / (0.2392)2x 997.13 = 0.069 s-1

i) Cálculo de la potencia transferida del fluido por parte del motor: P = NP. ρ. Vi3. Tt5  P = 18.2 x 997.13 x (0.069)3x(0.2392)5  P = 0.005 w

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