Diseño de Un Reactor Tipo Batch
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All content following this page was uploaded by Alberto Arturo Flores Hernndez on 28 May 2015.
Resumen El presente artculo describe una breve de acelerar una reaccin y puede ser una enzima o un
metodologa para el diseo de un bioreactor, as como las microorganismo (Levenspiel, 1987).
caractersticas de las reacciones qumicas que se pudieran
Existen bsicamente dos tipos de fermentacin: una rea-
llevar a cabo. Los modelos de los sistemas son a menudo
usados para determinar la capacidad de operacin, diseo de lizada en un ambiente anaerobio y una en un ambiente
procesos, anlisis de seguridad de los sistemas, y control de aerobio. La diferencia entre una y otra es la ausencia
procesos. El modelado del proceso est enfocado al control de y presencia de oxgeno, respectivamente. Ahora bien la
la temperatura, tomando las caractersticas qumicas de las forma de trabajo de un bioreactor o fermentador como
reacciones y las caractersticas fsicas de todos los parmetros
comnmente se le llama esencialmente se divide en dos: la
que intervienen en el sistema.
primera es mediante la alimentacin continua del sustrato a
Palabras clave: Bioreactor, modelo, temperatura, control. fermentar en ste; la segunda forma es por lotes o tipo batch,
es decir, slo se deposita una cierta cantidad de materia para
I. I NTRODUCCIN ser fermentada.
La principal motivacin del desarrollo de este proyecto
Una de las alternativas energticas que ha tenido un es que en CENIDET no se cuenta con un prototipo de esta
importante auge en los ltimos aos es la obtenida por naturaleza, y con este bioreactor se pretende derivar diversos
medio de biomasas. Se entiende por biomasa al conjunto trabajos en el rea de control automtico e implementar los
de materia orgnica renovable (no fsil) de origen vegetal, ya desarrollados.
animal o procedente de la transformacin natural o artificial El presente trabajo se divide de la siguiente forma:
de la misma (Energias-Renovables, 2008). En la seccin 2 se mencionan las caractersticas fsicas
La forma de obtener energa mediante la utilizacin de del prototipo, las caractersticas qumicas de una reaccin
biomasas es por medio del proceso de fermentacin. De este as como la descripcin del proceso de fermentacin. La
proceso esencialmente se obtienen dos productos: el primer seccin 3 est dedicada al modelado del sistema y en la
producto que se puede obtener es el biogs y el segundo seccin 4 se muestran las simulaciones. Por ltimo en la
producto que se puede obtener es bioetanol. El principal uso seccin 5 las conclusiones y los trabajos futuros.
del biogs es transformarlo en energa elctrica por medio
de un generador elctrico, o usarlo como combustible en II. A NLISIS DEL PROCESO
mquinas que trabajen con l. Por su parte el bioetanol
pasa por otro proceso de purificacin para poder obtener Al disear un bioreactor se debe de tener en cuenta las
etanol y as utilizarlo como combustible para automviles caractersticas del proceso a realizar, asegurar las condicio-
o en alguna otra aplicacin. En este trabajo el tipo de nes necesarias para el crecimiento de los microorganismos
fermentacin que se realizar es de tipo alcohlica. El y la obtencin del producto final deseado. Por ejemplo en
proceso de fermentacin alcohlica tiene sus orgenes desde (Lin, 2012) se enfatiza en las necesidades para el desarrollo
la antigedad pero no fue hasta que Pasteur estableci: a) el de la levadura tipo Saccharomyces cerevisiae BY4742 tales
papel que asume la levadura en la fermentacin alcohlica, como homogeneidad, temperatura, pH, concentracin inicial
b) la fermentacin como un fenmeno fisiolgico, c) las de glucosa.
diferencias entre utilizar una levadura anaerobia y aerobia
II-A. Diseo del bioreactor
para fermentar azcar. Este ltimo descubrimiento abri pa-
so para el desarrollo de diferentes procesos de fermentacin. El bioreactor se dise para una capacidad de 20 litros,
Una fermentacin es bsicamente una reaccin bioqumica ya que considerando que al agitar el nivel de la mezcla
la cual es generada por un catalizador y que se puede llevar se incrementa debido a que en el caso especfico de una
a cabo en cualquier ambiente con las condiciones necesarias fermentacin, existen partculas slidas flotantes dadas por
para el desarrollo de ste; un catalizador es un cuerpo capaz la combinacin entre el mosto y levaduras y que se elevan
por la accin del CO2 . En la Fig.1 se muestran las dimen-
siones del bioreactor, note que la capacidad volumtrica del
bioreactor es en realidad de 24.7 litros.
Clculo del volumen total del reactor: Para la parte ciln-
2
drica: V1 = ( D 3
4 )a = 21206cm , Para la parte cnica:
2
D 3
V2 = ( 12 )a = 3534,3cm .
Volumen total:
dQ = U AdTp (2)
Figura 3. Diseo de la Paleta
Donde dQ es la cantidad de flujo de calor, dTp la
diferencia de temperatura que impulsa el calor a travs
Para lograr la agitacin deseada se calcula la potencia del
de la pared de espesor, A el rea de la pared, y la
motor, la cual consiste en determinar el nmero de Reynolds
constante de proporcionalidad U es un trmino sobre el
(NRe ), el nmero de potencia para los impulsores (Np )
cual tiene influencia la naturaleza del fluido y la forma
y por ltimo la potencia del motor en hp. El nmero de
de agitacin. Se llama coeficiente de transferencia de calor
Reynolds de acuerdo a (Edward L. Paul, 2004) se calcula
cuando la ecuacin (2) se describe en su forma integrada,
con la siguiente ecuacin:
Q = U A AT se le conoce como la ley de enfriamiento
de Newton. En la Fig. 2 se muestra la estructura de la (d2 N )
chaqueta, la cual cuenta con un volumen total de 6.6371 NRe = (3)
litros y la entrada de alimentacin es por medio de un tubo
de un dimetro media pulgada, donde fluye un agua para NRe = Nmero de Reynolds [adimensional]
el calentamiento del ncleo del reactor o su enfriamiento d = dimetro del impulsor = 10 cm = 0.1 m
segn sea el caso. N = Velocidad nominal del motor=1800rpm= 30 rps
dCS
= k0 eEa /RT CS (7)
dt
dCP
= k0 eEa /RT CS (8)
dt
Note que la Ec.(7) representa la prdida del sustrato S
mediante el signo negativo, mientras que la Ec.(8) se
Figura 4. Seguimiento de Trayectoria representa el aumento de P .
III-A.0.b. Balance de Energa : El balance de energa
III. M ODELADO esencialmente est representado por dos ecuaciones diferen-
ciales (9) y (10) las cuales representan la temperatura en
El modelado de un sistema est dirigido al balance de
el ncleo del reactor (T ) y la temperatura de la chaqueta
energa, y en especial, al control de temperatura. Para
(Tj ) respectivamente.
realizar un buen modelado es necesario especificar las
variables de entrada, salida, y los parmetros; las variables
de entrada normalmente deben ser especificadas antes que dT UA (4H)
= (T Tj ) + k0 e(Ea /RT ) CS (9)
problema pueda ser resuelto. Las variables de salida son a dt (V cp ) (cp )
menudo variables de estado medibles, particularmente para
propsitos de control. En nuestro caso denotaremos y = T
como la variable de salida. Los parmetros son tpicamente dTj Fj UA
= (Tjin Tj ) + (T Tj ) (10)
un valor fsico o qumico que debe ser especificado o dt Vj (Vj j cpj )
conocido para resolver el problema matemticamente.
La ecuacin (9) describe la dinmica de la temperatura
Las mediciones realizadas en el proceso se pueden apre-
dentro del bioreactor, donde U es el coeficiente de trans-
ciar en la Fig. 5.
ferencia de calor, A es el rea de transferencia de calor,
V es el volumen dentro del reactor, es la densidad de la
biomasa, cp el calor especifico, 4H es la entalpa que es
absorbida por la chaqueta.
Por otra parte, en la ecuacin (10) se presenta la dinmica
la temperatura en la chaqueta, donde el subndice j es
empleado para distinguir que es para la chaqueta.
(VUcAp ) (T Tj )
dTj Fj UA
= (Tjin Tj ) (T Tj ) (14)
dt Vj (Vj j cpj )
En la Ec.(13) se describe esencialmente la dinmica de
T , donde el trmino VF (Tf T ) expresa la temperatura de
entrada del flujo de alimentacin del sustrato S al interior
del reactor. Por su parte, la ecuacin que define la dinmica
Tj es igual a la Ec.(14).
IV. S IMULACIONES
El objetivo de esta seccin es hacer notar la diferencia
entre una fermentacin en continuo o por lotes en un bio-
rreactor, utilizando los modelos establecidos anteriormente. Figura 7. Evolucin de las temperaturas del proceso
Las pruebas se realizaron en lazo abierto, los datos de
simulacin se muestran en el Anexo 1 en la Tabla 1. La evolucin de las dinamicas de las concentraciones de
En la Fig. 6 se observa el comportamiento de las con- sustrato y producto realizadas para un proceso de fermen-
centraciones de sustrato y producto en una fermentacin en tacin en batch se muestran en la Fig. 8, donde se aprecia
continuo. claramente que el sustrato consumido es transformado en
la misma cantidad en el producto final.