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DOCENTE:ORBEGOSO LOPEZ, JOSÉCICLO:IXINTEGRANTES: CARREÑO ALVAREZ, JOSÉ LUIS CHIPANA DELGADO, MARY SANTIAGO ALIVAS, JONATHAN MICHAEL SUAREZ CHAVEZ, ABNER
DISEÑO DE UN BIODIGESTOR
Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión
INTROCUCCIÓN
El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y
teóricos que conlleven a lograr un prototipo; para la realización íntegra de un
modelo, otra gran parte, trata de la adaptación creativa y de la utilización del
ingenio propio para lograr el objetivo de conjuntar el ambiente biológico de un
cultivo vivo con el ambiente artificial de un dispositivo controlado; este es el
resultado denominado biorreactor o reactor biológico.
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.
El desempeño de los biorreactores depende casi en su totalidad del
microorganismo que se selecciona para obtener el producto de interés. Aunque
la productividad del proceso está relacionada con la optimización de los
parámetros de operación del equipo, siendo la célula la entidad donde se
desarrolla toda actividad manufacturada. Debido a que la producción depende
de la población de microorganismos el ambiente donde las células se cultivan
debe proporcionar lo necesario para que ellas rindan los resultados esperados.
Un biorreactor o fermentador es aquel dispositivo que proporciona un medio
ambiente controlado que permite el crecimiento eficaz de las células
(microorganismos) para la transformación de una materia prima en un
producto. Este medio ambiente, debe tener niveles óptimos de temperatura,
pH, sustrato, sales, y oxígeno.
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I. OBJETIVOSI.1. OBJETIVO GENERAL
Aprovechar los desechos orgánicos para producir Biogás y Bioabono a travésde un Biodigestor.
I.2. OBJETIVO ESPECIFICO
Conocer el benef icio otorgado por el Biodigestor en la minimización de lacontaminación ambiental.
Desarrollar una propuesta para la implantación de Biodigestores como fuentede bienestar económico, social y ambiental.
II. MARCO TEORICO
Los biorreactores son equipos donde se realiza el proceso de cultivo, sea en
estado sólido o líquido. Su diseño debe ser tal que se asegure
homogeneidad entre los componentes del sistema y condiciones óptimas
para el crecimiento microbiano y la obtención del producto deseado.
El biorreactor se configura para proveer al usuario un sistema tipo paquete
que contiene elementos necesarios para funcionar en un proceso de
fermentación; los dispositivos básicos requeridos para funcionar en un
proceso de fermentación son:
Equipo para suministrar aire. ( transferencia de masa)
Equipo para generar y controlar la temperatura. (transferencia de
energía)
Equipo para agitación mecánica. (transferencia de movimiento)
Un biorreactor está diseñado para brindar las características necesarias de
monitoreo de diferentes variables como temperatura, presión y concentración
de gases, originadas como resultado de la transformación química, las mismas
que deben mantenerse controladas a fin de ofrecer condiciones óptimas para el
desarrollo y la acción del microorganismo (Novoa, 2010).
Otros equipos como bombas, rotámetros, válvulas, filtros, tuberías,
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abrazaderas, PH metros y sus controladores, deben ser adquiridos aparte,
teniendo en claro que el equipo puede emplearse para realizar una
fermentación controlando manualmente el pH, el oxígeno disuelto y el nivel de
espuma.
En el diseño del biorreactor se tiene en cuenta, además del tipo de proceso
microbiológico, el efecto del flujo, el tiempo de residencia, el pH, la
temperatura, la biomasa, la concentración de nutrientes y la velocidad de
agitación para que se desarrolle en forma óptima la conversión de los lodos.
Antes de diseñar un biorreactor, 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 y tasa de división celular, y
también del tipo de operación que se lleve a cabo. Es por esto que primero se
define el propósito de utilización.
II.1. TIPOS DE BIOREACTORES
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II.2. PRINCIPIOS DEL DISEÑO DE UN BIORREACTOR
Podemos realizar varias preguntas antes del diseño del reactor como:
1. Configuración del Reactor, por ejemplo, ¿Debería ser el reactor un
tanque agitado por medios mecánicos o por aire?
2. Tamaños del reactor, ¿Que tamaño de reactor se necesita para
alcanzar la velocidad de producción deseada.
3. Condiciones del proceso dentro del reactor, ¿Qué condiciones de
reacción tales como temperatura, pH y tensión de oxígeno disuelto
deberían de mantenerse en el recipiente y cómo se controlaría dichos
parámetros? ¿Cómo se evitara la contaminación?
4. Modo de Operación, ¿Operaría el reactor en discontinuo o mediante un
proceso de flujo continuo? ¿Deberá suministrarse el sustrato de manera
intermitente?¿Deberá operar el reactor solo o en serie?
Existen varias preguntas pero los criterios más importantes para el diseño de
un biorreactor pueden resumirse del siguiente modo dependiendo del tipo de
reactor y la fermentación a utilizar:
1. El tanque debe diseñarse para que funcione asépticamente durante
numerosos días, para evitar la aparición de contaminantes en las
operaciones de bioprocesos de larga duración.
2. Debe permitir una mayor área de contacto entre las fases biótica y
abiótica del sistema, es decir, se debe proporcionar un sistema
adecuado de aireación y agitación para cubrir las necesidades
metabólicas de los microorganismos.
3. El consumo de energía debe ser el mínimo posible
4. Entradas para la adición de nutrientes y el control del pH.
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5. El crecimiento microbiano es generalmente exotérmico, por lo que, el
biorreator debe facilitar las transferencia de calor, del medio hacia las
células y viceversa, a medida que se produce el crecimiento celular,
además de mantener estable la temperatura deseada.
6. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen del
cultivo
7. Suministrar oxígeno a una velocidad tal que satisfaga el consumo.
8. El diseño debe ser tal que permita mantener el cultivo puro; una vez que
todo el sistema ha sido esterilizado y posteriormente inoculado con el
microorganismo deseado.
Los biorreactores más utilizados a nivel industrial están provistos de
mecanismos de agitación, dispersión y aireación así como de sistemas para el
control de la temperatura, pH.
CONJUNTO BIORREACTOR-SISTEMA
El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes
objetivos:
Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
1. Mantener constante y homogénea la temperatura.
2. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
3. Prevenir la sedimentación y la floculación.
4. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el
cultivo.
5. Mantener el cultivo puro.
6. Mantener un ambiente aséptico.
7. Maximizar el rendimiento y la producción.
8. Minimizar el gasto y los costos de producción.
9. Reducir al máximo el tiempo.
Las operaciones realizadas por estos biorreactores son las siguientes:
Homogenización, para mantener la temperatura y la distribución de
concentración de manera uniforme.
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Mezcla sólido/líquido, para mantener una suspensión con una
distribución de sólidos uniforme.
Procesos líquido/líquido, para dispersar una fase en otra, formar
emulsiones y realizar extracciones.
Procesos gaseoso/líquido, para dispersar el gas en los líquidos, airear el
líquido.
Intercambio de calor.
Para hacer un biorreactor de manera industrial se inicia con un
biorreactor piloto, que permita simular el bioproceso, de forma
experimental y con la ayuda de software.
II.3. CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
Clasificación operativa
Se clasifican de acuerdo al modo de operación: discontinuo,
semicontínuo, continuo.
Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea
químico o biológico. En este último, el modo de operación define el
sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificación procesal-
productiva del cultivo. Al operar un biorreactor en cualquier modo de
operación, automáticamente queda determinado el modo de cultivo del
sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de
diseño que intervienen en el proceso productivo del sistema.
Clasificación biológica
Los biorreactores se clasifican biológicamente de acuerdo al
metabolismo procesal del sistema de cultivo: anaeróbico, facultativo,
aeróbico.
Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones están basados en el
metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los parámetros y
características operativas-biológicas de diseño y de operación del
biorreactor, y estas características son las que intervienen en la parte
biológica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y
rendimiento del cultivo.
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DISCONTINUO(BATCH): por lotes o tandas, sistema cerrado, sin
alimentación (F); se coloca dentro del biorreactor la carga total de cada
proceso (tanda o lote) de cultivo o fermentación y se dejar que se lleve a
cabo el proceso productivo o la fermentación por el tiempo que sea
necesario, este tiempo se denomina tiempo de retención. Son sistemas
cerrados que se caracterizan por cambiar las condiciones fisiológicas y
ambientales. No hay entrada ni salida de medio de cultivo.
Ventajas:
Procesamiento de una gran variedad de sustratos.
Admite cargas secas y con alta humedad.
Trabajo en ciclos para una operación menos
personalizada.
Desventajas:
La carga y descarga requiere de una mayor operación de
manera personalizada.
SEMICONTÍNUO (BATCH ALIMENTADO): por lotes alimentados, con
alimentación de entrada (F1); se alimenta una línea de entrada (F1) para que el
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sistema de cultivo tenga un producto con máximo de crecimiento (exponencial)
y aumente la productividad. Estos sistemas operan adicionando medio fresco,
pero sin remoción del existente. Son muy útiles cuando se requiere una
elevada densidad celular en la etapa de iniciación del proceso que implica un
alto consumo de nutrientes, especialmente de fuente hidrocarbonada que suele
funcionar como sustrato limitante.
o Son muy útiles cuando se necesita una elevada densidad celular
en la etapa de iniciación del proceso que implica un alto consumo
de nutrientes (fuente hidrocarbonada que suele funcionar como
sustrato limitante).
o Consiste en remover, al final de la operación entre un 80 y un 90
% del cultivo y reemplazarlo por medio fresco.
o De esta manera puede satisfacerse sencillamente la necesidad
de contar con inóculos de gran tamaño y a su vez evitar la
esterilización del reactor entre dos ciclos.
CONTINUO: por quimioestato, se alimenta una línea de entrada F1 o
alimentación y se drena una línea de salida F2o lavado; de manera que los
flujos o caudales de ambas líneas sean iguales y la producción sea continua. El
caudal de entrada de medio fresco es igual al de salida de medio utilizado. Son
utilizados en cultivos donde la velocidad de crecimiento celular es constante
por lo que existe un suministro constante de nutrientes o para la remoción
permanente de producto sobre todo en sistemas inmovilizados.
Ventajas:
Son utilizados en cultivos donde la velocidad de crecimiento celular es
constante ya que hay un constante ingreso de nutrientes o para la
remoción permanente de producto sobre todo en sistemas
inmovilizados.
Para su buena aplicación se requiere minimizar lo que se denomina
lavado del cultivo.
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Una variante es la Perfusión que implica la remoción y suministro de
medio dejando la biomasa ocluída en una malla.
Presenta inconvenientes con respecto al mantenimiento de las
condiciones de asepsia del proceso, y se dificulta debido a la tendencia
a formar agregados de las células vegetales en cultivo, la formación de
merengue y el lento crecimiento celular.
Componentes presentes en el biogás y sus efectos
Los componentes más comunes que se encuentran presentes en el biogás
son:
CO2
H2S
NH3
Vapor de agua
Polvo
N2
Siloxenos
Una tabla resumen se los efectos en el comportamiento del biogás se muestra
a continuación (ver tabla Nº 3).
Tabla Nº 3, Componentes del biogás y su efecto en las propiedades.
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Reacciones bioquímicas en la generación de biogás
La producción de metano responde a la siguiente ecuación:
Los productos generalmente obtenidos son se observan en la tabla Nº 4:
Tabla 4: Productos en la generación de biogás
En términos generales los sulfuros permanecen en los residuos, el CO2 se une
con el NH3, por lo tanto el gas resultante es principalmente CH4 y CO2 en
proporción: : 71%: 29%.
III. DISEÑO DEL BIODIGESTOR
Tipo de reactor:
Batch Semi continuos Continuos.
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Reactor a emplear. Para el prototipo RI
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Tipo BATCH: reactor donde no existe flujo de entrada ni de salida, es
simplemente un reactor con un agitador que homogeniza la mezcla.
Para entender un poco más estos reactores,
se plantea la ecuación de balance de energía.
= - *
Nota: en un reactor BATCH no hay flujo de entanda ni de salida, por tanto los 2
primeros términos de la ecuación se eliminan.
Donde V habla del volumen del reactor, k está asociada a la constante de
remoción de materia orgánica, C refiere a la concentración de materia orgánica.
Breve explicación del desarrollo:
Fecha de creación: 28/06/2006
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Tasa de materia
ACUMULADA
Tasa de materia entrante
Tasa de materia saliente
Tasa de materia reaccionante
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1. El estiércol es depositado en el prototipo RI de vol (20lt) el sustrato es de
7.6Kg a la vez se le agrego agua 14 lts haciendo una relación de 1-2.
1.1 cálculos del biodigestor:
Del recipiente:
1.2 cálculos del sustrato:
PARÁMETROS:
Los principales parámetros que influyen en la producción de biogás son:
Temperatura50-58
grados
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VOLUMEN: 20 lt
MASA: 1Kg
DENSIDAD: 50 Kg/m3
MASA: 7.6 Kg
VOLUMEN: 8Lts
DENSIDAD: 950 Kg/m3
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Tiempo de Retención 25
pH 6,7
Nota: los parámetros dados son la meta que se debe alcanzar para obtener
nuestro producto final.
VOLÚMENES DE CARGA:
Volúmenes de carga Lts
Volumen de carga
(estiércol)8 lts
Volumen del tanque 20 lts
Tiempo de retención 22 días
Nota: el tiempo de retención se manejo de la siguiente manera.
Tiempo de retención:
Es el tiempo que transcurre entre la carga y descarga del sistema. La velocidad
de degradación depende en gran parte de la temperatura ambiente, pues a
mayor temperatura el tiempo de retención requerido es menor.
Temperatura ºC Días
10 55
20 25
30 10
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CONCLUSIONES
El biodigestor actúa como modelo de desarrollo de energías alternativas,
quéresulta beneficioso desde el punto de vista social, productivo desde
el puntode vista económico y amigable desde el punto de vista
ecológico.
La utilización de biodigestores ofrece grandes ventajas para el
tratamiento
delos desechos orgánicos, debido a que además de disminuir la cargaco
ntaminante de los mismos, extrae gran parte de la energía contenida en
elmaterial, mejorando su valor fertilizante y controlando, de maneraconsi
derable, los malos olores.
El biodigestor contribuye de manera importante en la erradicación y
controlde la contaminación de las aguas adyacentes a las granjas, ya
que los desechosque eran arrojados a las mismas serán utilizados para
la generación de energía
RECOMENDACIONES
Tomando en cuenta la problemática ambiental presente en la actualidad,
es necesario que las comunidades (especialmente las directamente
afectadas) estén al tanto de las nuevas tecnologías; éstas deben
informarse acerca de los métodos
actualmente utilizados para la erradicación y aprovechamiento de los de
sechos contaminantes.
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Toda aquella persona o grupo que posea conocimientos sobre dichastec
nologías o que haya (n) implementado las mismas, deben encargarse de
difundir la información acerca de éstas, para así lograr una buena
campaña de divulgación
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