DISEO DE REACTOR

DISEO DE REACTOR2015

DISEO DE REACTORDIBUJO INDUSTRIALALFARO MENDOZA RICARDO ALBERTO 11170236HUAMANI MAYO PAMELA XIOMARA 11170288

INTRODUCCIN2ANTECEDENTES31.Biodigestor32.Diseo de los biodigestores43.Condiciones para la biodigestin5REACTOR74.Clasificacin de reactores7Fases7Forma en la que operan7Otros85.Reactores ideales8BIORREACTOR10Diseo de biorreactores11CLASIFICACIN DE LOS BIORREACTORES12Clasificacin operativa12Clasificacin biolgica12Clasificacin biolgica-operativa13CONCLUSIONES14

INTRODUCCIN

El diseo enbioingenierano es solo la aplicacin de conceptos bsicos y tericos que conlleven a lograr un prototipo; para la realizacin ntegra de un modelo, otra gran parte, trata de la adaptacin creativa y de la utilizacin del ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biolgico de un cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el resultado denominado biorreactor o reactor biolgico. Un biorreactor es por tanto un dispositivo biotecnolgico que debe proveer internamente un ambiente controlado que garantice y maximice la produccin y el crecimiento de un cultivo vivo; esa es la parte biolgica. 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 operacin o proceso (bioproceso) se lleve a cabo con economa, alto rendimiento (productividad) y en el menor tiempo posible; esa es la parte tecnolgica.

ANTECEDENTES

BiodigestorUndigestorde desechos orgnicos obiodigestores, en su forma ms simple, un contenedor cerrado, hermtico e impermeable (llamado reactor), dentro del cual se deposita el material orgnico a fermentar (excrementos de animales y humanos, desechos vegetales-no se incluyen ctricos ya que acidifican-, etc.) en determinada dilucin de agua para que a travs de la fermentacin anaerobia se produzcagasmetanoyfertilizantesorgnicos ricos en nitrgeno, fsforo y potasio, y adems, se disminuya el potencial contaminante de los excrementos.Este sistema tambin puede incluir unacmara de cargay nivelacin del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar elbiogs y cmaras de hidrogenacin y pos tratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor.El fenmeno de indigestible ocurre porque existe un grupo de microorganismos bacterianosanaerbicospresentes en el material fecal que, al actuar sobre los desechos orgnicos de origen vegetaly animal, producen una mezcla de gases con alto contenido demetano(CH4) llamadabiogs, que es utilizado comocombustible. Como resultado de este proceso se generan residuos con un alto grado de concentracin de nutrientes y materia orgnica (ideales comofertilizantes) que pueden ser aplicados frescos, pues el tratamiento anaerobio elimina los malos olores y la proliferacin de moscas.Una de las caractersticas ms importantes de la biodigestin es que disminuye el potencial contaminante de los excrementos de origen animal y humano, disminuyendo la Demanda Qumica de OxgenoDQOy la Demanda Biolgica de OxgenoDBOhasta en un 90% (dependiendo de las condiciones de diseo y operacin).Se deben controlar ciertas condiciones, como son: elpH, la presin y temperatura a fin de que se pueda obtener un ptimo rendimiento.El biodigestor es un sistema sencillo de implementar con materiales econmicos y se est introduciendo en comunidades rurales aisladas y de pases subdesarrollados para obtener el doble beneficio de conseguir solventar la problemtica energtica-ambiental, as como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animales.

Diseo de los biodigestoresLos biodigestores han de ser diseados de acuerdo a su finalidad, a la disposicin de ganado y tipo, y a la temperatura a la que van a trabajar. Un biodigestor puede ser diseado para eliminar todo el estircol producido en una granja de cerdos, o bien como herramientas de saneamiento bsico en un colegio. Otro objetivo sera el de proveer de cinco horas de combustin en una cocina a una familia, para lo que ya sabemos que se requieren 20 kilos de estircol fresco diariamente. Como se coment anteriormente, elfertilizantelquido obtenido es muy preciado, y un biodigestor diseado para tal fin debe permitir que la materia prima est mayor tiempo en el interior de la cmara hermtica as como reducir la mezcla con agua a 1:3.La temperatura ambiente en que va a trabajar el biodigestor indica el tiempo de retencin necesario para que las bacterias puedan digerir la materia. En ambientes de 30C se requieren unos 10 das, a 20C unos 25 y en altiplano, con invernadero, la temperatura de trabajo es de unos 10C de media, y se requieren 55 das de tiempo de retencin. Es por esto, que para una misma cantidad de materia prima entrante se requiere un volumen cinco veces mayor para la cmara hermtica en el altiplano que en el trpico.

Condiciones para la biodigestin1. Latemperaturaes muy importante para la produccin debiogs, ya que los microorganismos que realizan la biodigestin disminuyen su actividad fuera de estas temperaturas. La temperatura en la cmara digestiva debe ser entre los 20 C y 60 C; para optimizar el tiempo de produccin es deseable mantener una temperatura entre los 30 C y 35 C.

2. Elnivel de acidezdetermina como se desenvuelve la fermentacin del material orgnico. El pH del material debe tener un valor entre 6.5 y 7.5. Al estar fuera de este rango neutro la materia orgnica corre el riesgo de pudrirse, ya que se aumenta la actividad relativa de los microorganismos equivocados; esto normalmente produce un olor muy desagradable.

3. El contenedor debe de estarperfectamente selladopara evitar que entre el oxgeno y de esta manera tener un procedimiento anaerbicoadecuado; tambin evita fugas del biogs.

4. Debe de contener entre el 80% y 90% de humedad.

5. Losmaterialesms comnmente utilizados para producir biogs son el estircol de vaca, caballo, puerco yhumana, sin embargo tambin se pueden otros materiales orgnicos.

6. Para lograr una descomposicin eficiente, la materia orgnica debe de ser entamaos digeribles pues entre ms chica ms rpida la produccin del biogs.

7. Se deber tener un equilibrio del carbono y el nitrgeno.

REACTOR

Como su propio nombre indica, eldiseo de reactoreses la ciencia y el arte de seleccionar,crear y disearreactores qumicoscon un propsito especfico: llevar de reactivos a productos de la forma ms eficiente posible. Probablemente esta disciplina es la que establece a laingeniera qumicacomo una rama independiente de la ingeniera. Para tal fin es necesario conocer tanto la cintica como la termodinmica de las reacciones de inters.Clasificacin de reactoresFasesExisten varios criterios a la hora de clasificar a los reactores qumicos. En funcin del nmero de fases presentes en el reactor, pueden distinguirse: Reactores homogneos: Son aquellos en los que tanto reaccionantes como productos se encuentran en la misma fase (gas, o lquido en general). Reactores heterogneos: Son aquellos en los que hay ms de una fase.Forma en la que operanTambin pueden clasificarse segn la forma en la que operan: Reactores continuos: Son aquellos que trabajan en estado estacionario; es decir, aquellos en que en cada instante se introduce alimentacin fresca. Reactores discontinuos: Trabajan por lotes; es decir, se carga una cantidadde alimentaciny se deja reaccionar durante un tiempo. Una vez transcurrido el tiempo de reaccin se carga de nuevo otra cantidad de alimentacin, y as sucesivamente. Reactores semicontinuos: Una fase del reactor se comporta deforma continuamientras que otra lo hace de forma discontinua.OtrosDependiendo del tipo de flujo pueden clasificarse en: Reactores ideales: Son aquellos en los que el tipo de flujo es ideal (terico). Se distinguen dos tipos, el reactor demezcla perfectay elreactor de flujoen pistn. Reactores reales: Son aquellos que no son ideales.

Reactores idealesReactor discontinuo perfectamente agitadoEs el reactor en que su contenido est perfectamente agitado y su composicin es igual en todo el reactor. La composicin vara con el tiempo hasta alcanzar una conversin final o de equilibrio del reactivo para las condiciones establecidas (temperatura, concentraciones iniciales de reactivos, presencia de inertes). Una vez detenida la reaccin (velocidad de reaccin tendiente a cero), se debe vaciar total o parcialmente el reactor e incorporar nueva corriente de entrada si se quiere seguir produciendo productos de reaccin.Reactor de mezcla perfectaLa composicin de la corriente de salida es igual a la composicin dentro de cualquier punto del reactor, esta composicin no vara en el tiempo, por lo que se considera en ESTADO ESTACIONARIO. Este tipo de reactores son ideales para estudios cinticos o dediseo experimentalde reactores puesto que son de sencilla construccin en el laboratorio y adems en su clculo de diseo ofrecen la posibilidad de relacionar el grado de conversin requerido (X), la velocidad de reaccin(r), el volumen (V) y las concentraciones iniciales de reactivos (Co), todo en una expresin resultante de unbalance de masa, sin necesidad de integrar, puesto que el reactor se halla en estado estacionario respecto a la posicin dentro del reactor y con respecto al tiempo.Ecuacin de diseo:Reactor del flujo en pistnEn los reactores de flujo pistn isotrmicos la temperatura no vara con la posicin en el reactor. Adems, no vara con el tiempo por tratarse de un reactor de flujo pistn en estado estacionario. La velocidad de reaccin ser slo funcin de la conversin (o de la concentracin) En realidad los reactores de flujo en pistn son reactores tubulares que tienen la particularidad de que en ellos se supone que no existe retromezcla (backmixing) y que cada porcin de corriente de entrada que ingresa no se mezcla para nada con su inmediata posterior, la composicin de cada diferencial de volumen va variando respecto a la longitud del reactor.Ecuacin de diseo:

BIORREACTOR

Biorreactor a escala de laboratorio conteniendo clulasanimales.

Biorreactor/fermentador de sobremesa para fermentaciones y cultivos celulares a escala de laboratorioUnbiorreactores unrecipienteo sistema que mantiene un ambientebiolgicamenteactivo. En algunos casos, un biorreactor es unrecipienteen el que se lleva a cabo un procesoqumicoque involucraorganismoso sustanciasbioqumicamenteactivas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede seraerbicooanaerbico. Estos biorreactores son comnmente cilndricos, variando en tamao desde algunos mililitros hasta metros cbicos y son usualmente fabricados enacero inoxidable.Un biorreactor puede ser tambin un dispositivo o sistema empleado para hacer crecerclulasotejidosen operaciones decultivo celular. Estos dispositivos se encuentran en desarrollo para su uso eningeniera de tejidos.En trminos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH,temperatura, concentracin de oxgeno, etctera) alorganismoosustancia qumicaque se cultiva. En funcin de los flujos de entrada y salida, la operacin de un biorreactor puede ser de tres modos distintos:1. Lote (batch)2. Lote alimentado (fed-batch)3. Continuo oquimiostatoDiseo de biorreactoresEl diseo de los biorreactores es una tarea deingenierarelativamente compleja y difcil. Losmicroorganismoso clulas son capaces de realizar su funcin deseada con gran eficiencia bajo condiciones ptimas. Las condiciones ambientales de un biorreactor tales como flujo de gases (por ejemplo, oxgeno,nitrgeno,dixido de carbono, etc.),temperatura, pH,oxgeno disueltoy velocidad deagitacino circulacin, deben ser cuidadosamente monitoreadas y controladas.La mayora de los fabricantes industriales de biorreactores usan recipientes,sensores,controladoresy unsistema de controlinterconectados para su funcionamiento en el sistema de biorreaccin (verPLC).La misma propagacin celular (fenmeno conocido en ingls comoFouling) puede afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor, especialmente en losintercambiadores de calor. Para evitar esto, el biorreactor debe ser fcilmente limpiable y con acabados lo ms sanitario posible (de ah sus formas redondeadas).Se requiere de un intercambiador decalorpara mantener elbioprocesoatemperaturaconstante. Lafermentacinbiolgica es una fuente importante decalor, por lo que en la mayor parte de los casos, los biorreactores requieren deagua de enfriamiento. Pueden serrefrigeradoscon unachaquetaexterna o, para recipientes sumamente grandes, con serpentinesinternos.En un proceso de arobico, la transferencia ptima de oxgeno es tal vez la tarea ms difcil de lograr. El oxgeno se disuelve poco en agua (y an menos encaldos fermentados) y es relativamente escaso en elaire(20,8%). La transferencia de oxgeno usualmente se facilita por laagitacinque se requiere tambin para mezclar los nutrientes y mantener la fermentacin homognea. Sin embargo, existen lmites para la velocidad deagitacin, debidos tanto al alto consumo deenerga(que es proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al dao ocasionado a los organismos debido a unesfuerzo de corteexcesivo.Los biorreactores industriales usualmente empleanbacteriasu otros organismos simples que pueden resistir lafuerzade agitacin. Tambin son fciles de mantener ya que requieren slo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes velocidades.En los biorreactores utilizados para crecer clulas otejidos, el diseo es significativamente distinto al de los biorreactores industriales. Muchas clulas y tejidos, especialmente de mamfero, requieren una superficie u otro soporte estructural para poder crecer y los ambientes agitados son comnmente dainos para estos tipos de clulas y tejidos. Los organismos superiores tambin requierenmedios de cultivoms complejos.

CLASIFICACIN DE LOS BIORREACTORESClasificacin operativaTanto biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de acuerdo al modo de operacin:discontinuo, semicontinuo, continuo.Esta es una clasificacin operativa y se aplica a cualquier reactor, sea qumico o biolgico (biorreactor). En los reactores biolgicos el modo de operacin define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificacin procesal-productiva del bioproceso (cultivo). Al operar un biorreactor en una determinada categora (discontinua, semicontinua, continua), automticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los parmetros y las caractersticas operativas y de diseo que intervienen en el proceso productivo del sistema.Clasificacin biolgicaLos sistemas biolgicos deben interaccionar con elambienteexterno para poder crecer y desarrollarse; es por eso que los biorreactores se clasifican biolgicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema de cultivo:anaerbico, facultativo, aerbico.Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones estn basados en elmetabolismo celulardel cultivo. El metabolismo define los parmetros y caractersticas operativas-biolgicas de diseo y de operacin del biorreactor. Estas caractersticas son las que intervienen en la parte biolgica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo; por lo que, definen la clasificacin biolgica-procesal del sistema de cultivo.Clasificacin biolgica-operativaAmbas clasificaciones; la biolgica y la operativa, son procesalmente interdependientes y en su conjunto afectan el diseo final del biorreactor.Al conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan tambin la funcin operativa y la biolgica para establecer entre ambas un propsito de utilizacin, el modo de cultivo y el bioproceso. Siendo el propsito de utilizacin, el destino de cultivo del biorreactor; para qu tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor; el modo de cultivo es sinnimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en s, todo el proceso para la historia

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