diseño de un biodigestor

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.

E.A.P. Ingeniería Ambiental IX Ciclo


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,



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



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.



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.



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.



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



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.



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.



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.


Reactor a emplear. Para el prototipo RI


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


Tasa de materia

ACUMULADA

Tasa de materia entrante

Tasa de materia saliente

Tasa de materia reaccionante


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


VOLUMEN: 20 lt

MASA: 1Kg

DENSIDAD: 50 Kg/m3

MASA: 7.6 Kg

VOLUMEN: 8Lts

DENSIDAD: 950 Kg/m3


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



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.



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


diseño de un biodigestor

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