DISEÑO DE BIOREACTORES CONTENIDO

DISEÑO DE BIOREACTORES

CONTENIDO

1.- Introducción a los bioreactores        

Generalidades Materiales industriales explotables Fermentación industrial Procesos de fermentación Cinética química (aprender la formulas) Velocidad de reacción Variables que afecta la velocidad de reacción Cinética microbiana ((formulario)

2.- Importancia de los biorreactores como alternativa a la descontaminación ambiental (formularios)     

Tipos de bioreactores Cultivo en batch Bioreactor fed-batch Cultivo continuo perfectamente agitado (quimiostato) Dimensionado

3.- Diseño y construcción de biodigestores      

Ubicación de una planta de biogás sencilla Tipos de plantas Instalaciones complementarias Herramientas y dispositivos Dimensionado plano Proyecto de dimensionado de biorreactor o biodigestor.

BIOREACTOR Es un recipiente que mantiene un ambiente biológicamente activo. Buscan mantener ciertas condiciones ambientales propias del elemento que se cultiva. Es el corazón de cualquier proceso de fermentación o conversión enzimática. Es un dispositivo biotecnológico que debe proveer internamente un ambiente controlado, que garantice y maximice la producción y el crecimiento de un cultivo vivo. Externamente es la frontera que protege el cultivo del ambiente externo contaminado. Procesos químicos:  Sustancias bioquímicamente activas  Organismos Procesos biológicos:  Aérobicos  Anaeróbicos CLASIFICACION DE LOS BIOREACTORES Clasificación operativa: Define los parámetros y las características operativas y de diseño.  Batch (discontinuo): Su alimentación y descarga no es constante.  Fed-batch (semidescontinuo): Su alimentación es constante, pero no su descarga.  Continuo (quimiostatos): Su alimentación y descarga es constante Clasificación biológica: Se basan en el metabolismo celular del cultivo  Anaeróbica  Facultativa  Aeróbico Clasificación Biológica-Operativa Es la clasificación de las dos clasificaciones DISEÑO BASICO Antes de diseñar un bioreactor hay que entender que su cinética no está determinada exclusivamente por la velocidad de reacción y las variables que la determinan. La cinética biológica igualmente depende de características intrínsecas del organismo, tales como crecimiento, tasa de división celular y también del tipo de operación que se lleve a cabo. Es por eso que primero se define el propósito de utilización. El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que conllevan a lograr un prototipo, trata de la adaptación.

COMPONENTES BASICOS PARA EL DISEÑO DEL REACTOR       

Sistema de aireación Sistema de control de temperatura Sistema de agitación Sistema de intercambio térmico Sistema de esterilización Sistema de alimentación Sistema de descarga

PRINCIPIOS DE DISEÑO DE UN BIOREACTOR    

Configuración del reactor Tamaño del reactor Condiciones del proceso dentro del reactor Modo de operación

CRITERIOS MÁS IMPORTANTES PARA EL DISEÑO DE UN BIOREACTOR 1.- Puede reunirse dependiendo del tipo de reactor y fermentación a utilizar 2.- El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante varios días, para evitar la contaminación en las operaciones de bioprocesos de larga duración. 3.- Debe permitir mayor are4a de contacto entre las fases bióticas y abióticas del sistema. 4.- El consumo de energía debe ser el mínimo posible. 5.- Entrada para la adición de nutrientes y el control de pH. 6.- El crecimiento microbiano es exotérmico, porque el bioreactor transmite fácilmente la energía. 7.- Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen del cultivo. 8.- Suministrar oxigeno a una velocidad tal que satisfaga su consumo. 9.- El diseño debe permitir mantener un cultivo puro. OPERACIONES REALIZADAS POR EL BIOREACTOR-SISTEMA Homogenización: Permite mantener la temperatura y distribución de concentracion de manera uniforme. Mezcla solido/liquido: Permite mantener una suspensión con una distribución uniforme de sólidos. Mezcla liquido/liquido: Para dispersar una fase en la otra, formar emulsiones y realizar extracciones. Proceso gas/liquido: Permite dispersar un gas en un líquido (aireación). Intercambio de calor MATERIALES INDUSTRIALES EXPLOTABLES La biotecnología es una actividad multidisciplinaria que comprende la aplicación de los principios científicos y de la ingeniería al procesamiento de materiales por agentes biológicos para proveer bienes y servicios.

Materiales: Incluyen aquellos compuestos orgánicos e inorgánicos. Agentes biológicos: Pueden ser células microbianas, animales, vegetales, virus y enzimas. Bienes: cualquier producto industrial relacionado con alimentos, bebidas, productos medicinales. Servicios: Son aquellos vinculados a la purificación de aguas, tratamientos de efluentes, extracción de derrames de petróleo. Microbiología industrial: Parte de la microbiología que se ocupa de las aplicaciones industriales de los microorganismos.

CINETICA QUIMICA Estudia velocidad de una reacción química, considerando todos los factores que influye sobre la reacción. Como se efectúa una reacción química; Se da cuando bajo ciertas condiciones apropiadas una sustancia se transforma en otra que constituye diferentes especies químicas. Esto ocurre por el reordenamiento o redistribución de los átomos para formar moléculas. Estas reacciones se estudian considerando su modo y mecanismo, los cambios físicos y energéticos que tienen lugar en la reacción y la velocidad con que se forman los productos. REACCION HOMOGENEA Se realiza solo en una fase, los reactivos se distribuyen uniformemente por todo el fluido, estableciendo el mismo potencial de reacción en cualquier punto del fluido. Estas reacciones pueden ser: Reversibles: Van de reactivos a productos o viceversa. Irreversibles: Solo van de reactivo a producto. Variables que influyen sobre la velocidad de reacción son:  Temperatura  Presión  Concentración REACCIONES HETEROGENEA Se requiere dos fase (liquido – solido), ocurre entre 1 o más constituyentes que pueden estar especificados e identificados con sitios específicos, como es el caso de aquellos ubicados sobre una resina de intercambio iónico. Las variables que influyen sobre la velocidad de reacción son:  Catalizadores químicos (platino, paladio)  Catalizadores biológicos (enzimas) VELOCIDAD DE REACCION (r) En los homogéneos describe el cambio (aumento o disminución) en el número de moles de una sustancia reactiva por unidad de volumen y tiempo.

En los heterogéneos describe cambios en el número de moles por unidad de área y tiempo.

NOTA: La velocidad a la cual ocurre una reacción es importante en el tratamiento de aguas residuales ya que sus procesos pueden ser diseñados en base a la velocidad con que ocurre la reacción. Cuando una reacción involucra 2 o más reactivos diferentes con coeficientes estequiometricos diferentes, la velocidad no será igual para todos los reactivo. aA + bB ------------------------ cC + Dd El cambio de concentración con respecto al tiempo se denota:

Los reactivos son (-) y los productos son (+). ORDENES DE REACCIÓN Es la suma de los exponentes a las cuales se encuentran elevadas las concentraciones. La velocidad de reacción se expresa según su orden: Orden cero (0): No existe concentración.

Donde: (K) Es el coeficiente cinético que se utiliza solo en reacciones homogéneas y es (+) o (-) dependiendo si es reactivo o producto. Primer orden (1): Existe concentración

Ejemplo: Reacción de primer orden con 2 concentraciones

Segundo orden (2):

DETERMINACION DEL COEFICIENTE CINETICO (k) Los coeficientes cinéticos de reacción (k) para los procesos de transformación se determinan a través de resultados obtenidos experimentalmente realizados en reactores de flujo intermitente o continuo, ya sea a nivel del campo o plantas piloto. Se puede determinar por dos métodos: Método de integración: Ayuda a determinar el orden de reacción mediante representación grafica, donde dicha pendiente es el coeficiente cinético. N

Expresión de la velocidad

Método de integración

Representación grafica

0

1

[

]

] vs t

2

Método diferencial: Se realiza por sustitución de valores en las ecuaciones establecidas. Primero se calcula el orden de reacción y luego la K.

Donde: (

)

(

)

Ejercicios: Con los datos obtenidos en un reactor intermitente, determinar el orden de reacción y el coeficiente cinético (K) mediante los métodos de integración y diferencial. Tiempo (d)

Concentración [C] (mol/l)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

100 = CO para todos 71.2 51.6 37 25.6 19.9 13.1 9.5 6.9

[ 0 71.2 25.8 12.33 6.4 3.98 2.18 1.35 0.86

0 0.147 0.287 0.431 0.591 0.701 0.882 1.022 1.161

] 0.01 0.014 0.019 0.027 0.039 0.050 0.071 0.105 0.144

Desarrollo Método de integración: Primero hacemos la representación grafica. Orden cero: * + Tiempo (d) 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 71.2 25.8 12.33 6.4 3.98 2.18 1.35 0.86

Primer orden:

* +

Todas las concentraciones se dividen para Co. Tiempo (d) 0 1 2 3 4 5 6 7 8

[ 0 0.147 0.287 0.431 0.591 0.701 0.882 1.022 1.161

Segundo orden: Tiempo (d) 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0.01 0.014 0.019 0.027 0.039 0.050 0.071 0.105 0.144

]

Verificamos cual es la grafica mas recta y se utiliza en número de orden de esa grafica para despejar K. En este caso la más recta es la del primer orden, y despejamos K. [

] *

+

Escogemos cualquier concentración, en este caso 19.9 y aplicamos la ecuación: *

+

Método diferencial: Para este método escogemos dos concentraciones, en este caso 51.6 y 19.9  C1= 51.6 y su t = 2  C2=19.9 y su t= 5

Ejemplo: Determinar n y K para los siguientes datos de concentración empleando el método integral y diferencial. Tiempo (d)

Cs (mg/l)

0 1 2 3 4 5 6 7 Desarrollo:

85 = Co 66 52 40 31 24 19 15

DBO

[ 0 0.109 0.213 0.327 0.438 0.549 0.650 0.753

Primero hacemos la representación grafica. Orden cero: * +

] 0.011 0.015 0.019 0.025 0.032 0.041 0.052 0.066

* +

Primer orden:

[

]

0 0.109 0.213 0.327 0.438 0.549 0.650 0.753

Tiempo (d) 0 1 2 3 4 5 6 7

Segundo orden: En este ejemplo la grafica mas recta es la de primer orden, utilizamos el número de orden de esa grafica para despejar K. [

] *

+

Escogemos cualquier concentración, en este caso 40 y aplicamos la ecuación: *

+

Método diferencial Para este método escogemos dos concentraciones, en este caso 52 y 24  C1= 52 y su t = 2  C2=24 y su t= 5

Ejemplo: Determinar n y K mediante el método integral y diferencial. Tiempo (d)

Cs (mg/l)

DBO

0 1 2 3 4 5 6 7 Desarrollo:

212 = Co 5.1 2.6 1.7 1.3 1.0 0.9 0.7

[ 0 1.618 1.911 2.095 2.212 2.326 2.372 2.481

] 4.716x10-3 0.196 0.384 0.588 0.769 1 1.111 1.428 Tiempo (d)

Primero hacemos la representación grafica. Orden cero: * +

4.716x10-3 0 0.196 1 Primer orden: * + 0.384 2 0.588 3 0.769 4 Segundo orden: 1 5 1.111 6 1.428 7 En este ejemplo la grafica mas recta es la de segundo orden, utilizamos el número de orden de esa grafica para despejar K. [

]

Escogemos cualquier concentración, en este caso 1.7 y aplicamos la ecuación:

Método diferencial Para este método escogemos dos concentraciones, en este caso 2.6 y 1  C1= 2.6 y su t = 2  C2=1 y su t= 5

Ejemplo: Determinar n y K mediante los dos métodos Tiempo (d)

Cs (mg/l)

DBO

0 1 2 3 4 5 6 7

15.7 = Co 7.9 4.1 2.7 2.1 1.6 1.4 1.2

[

]

0 0.298 0.583 0.764 0.873 0.991 1.049 1.116

0.063 0.126 0.243 0.370 0.476 0.625 0.714 0.833 Tiempo (d)

Desarrollo: Primero hacemos la representación grafica.

0.063 0.126 0.243 0.370 0.476 0.625 0.714 0.833

Orden cero: * + Primer orden:

* +

Segundo orden:

0 1 2 3 4 5 6 7

En este ejemplo la grafica mas recta es la de segundo orden, utilizamos el número de orden de esa grafica para despejar K. [

]

Escogemos cualquier concentración, en este caso 2.7 y aplicamos la ecuación:

Método diferencial Para este método escogemos dos concentraciones, en este caso 4.1 y 1.6  C1= 4.1 y su t = 2  C2=1.6 y su t= 5

𝑪𝟏

𝒅 𝑪𝟏 𝒕 𝒅𝒕

𝟐𝟕 𝟑

𝟕𝟗 𝟏

𝟐𝟔

Estacionaria

Reactor discontinuo: Termina los nutrientes y comienza la fase de muerte Reactor continúo: No llega a la fase de muerte por que el suministro de nutrientes es constante

2 Muerte

Crecimiento exponencial

Adaptación o lactancia (Fase LAG)

Crecimiento (Ca)

CINETICA MICROBIANA

Donde: (1) Fase aceleración. (2) Fase deceleración. 1

Tiempo

Es el incremento ordenado de todos los constituyentes químicos de los microorganismos, también se considera como un aumento en el número de moles, número de individuos o masa celular. Curva de crecimiento en un cultivo discontinuo: En cultivos discontinuos batch o por lotes se observa varias fases de crecimiento. En un cultivo batch el medio no se renueva, el crecimiento se da en un volumen fijo que se altera únicamente por el crecimiento microbiano. Fase de adaptación o latencia: Se da después de la inoculación los microorganismos adaptan su metabolismo a las nuevas condiciones ambientales. Los microorganismos se preparan para reproducirse y la velocidad de crecimiento es cero.

Fase de aceleración: Comienza el crecimiento y la µ es menor a la velocidad máxima de crecimiento. Fase de crecimiento exponencial: Las condiciones son óptimas para el crecimiento por lo tanto los microorganismos crecen y se multiplican. La velocidad de crecimiento es máxima y el tiempo de duplicación es mínimo. µ = µ máxima Fase de deceleración: el crecimiento es más lento por el agotamiento de los nutrientes o la formación de productos inhibidores. En esta fase la velocidad de crecimiento es menor a la velocidad máxima de crecimiento.

µ < µ máxima Fase estacionaria: El cultivo está limitado por los nutrientes y cesa el crecimiento. µ=o Fase de muerte: Las células pierden su viabilidad y se rompen, la velocidad de muerte es mayor a la velocidad de crecimiento. Donde: (rx) Es la velocidad volumétrica de µ