Diseño de un biorreactor de tanque agitado

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUMBES

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS

           ESCUELA DE AGROINDUSTRIAS

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“DISEÑO Y OPERACIÓN DE UN BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO”

TRABAJO

PRESENTADO POR:

CARRASCO VELIZ, Gresia

DIOS TINOCO, Limber

DOMINQUEZ SEMBRERA,Fray

GUARNIZ CHAMBA, Carlos

MARCHAN GARCÉS, Kenverly

OVIEDO CASARIEGO, José

RUEDA MARCHÁN, Hans

SEMINARIO NAVARRO,Maritza

En cumplimiento del trabajo encargado en

La asignatura de Biotecnología Agroindustrial

TUMBES – PERÚ

2017

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, los sectores industriales de alimentos apoyados en el campo biotecnológico  hacen uso  de la acción controlada de microorganismo para modificar su textura, consérvalos mediante la producción de ácido o alcohol y desarrollar en ellos delicados aromas o flavores que aumentan su calidad y su valor nutritivo. Siendo el caso del Biorreactor  la parte principal de cualquier proceso bioquímico en el que se emplean sistemas microbianos fúngales o sistemas celulares mamíferos o plantas para la manufactura económica de una amplia variedad de productos biológicos útiles.

La función principal de un biorreactor diseñado apropiadamente es la de proveer un medio controlado para alcanzar el crecimiento y la formación de productos óptimos, o cualquiera de ambos.

El reactor es el corazón de cualquier proceso de fermentación o conversión enzimática. El diseño de biorreactores es una tarea complicada, basada en principios científicos y de ingeniería y en muchas reglas empíricas. Los aspectos específicos del reactor y su operación incluyen varias decisiones críticas. (Doran, 1998)

DISEÑO Y OPERACIÓN DE UN BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO

1. OBJETIVOS:

1. OBJETIVO GENERAL

Aprender el uso y función de un biorreactor de laboratorio

1. OBJETIVO ESPECÍFICOS.

Diseñar un biorreactor y calcular su potencia

1. MARCO TEÓRICO

1. Biorreactor

El biorreactor es sin duda uno de los equipos fundamentales de la microbiología industrial. Es el recipiente donde se realiza el cultivo, y su diseño debe ser tal que asegure un ambiente uniforme y adecuado para los microorganismos; es un sistema en el que una conversión biológica se llave acabo. Esta definición puede aplicarse a cualquier conversión realizada por enzimas,  microorganismos, células animales o vegetales Por otra parte, el término “biorreactor” se usa como sinónimo de  “fermentador”.

1. Funcionamiento

El funcionamiento de cualquier Biorreactor depende de:

• La concentración de biomasa que se desea alcanzar, la cual generalmente debe ser alta.
• El mantenimiento de condiciones estériles.
• Agitación adecuada, para que la distribución del sustrato y del microorganismo sea uniforme.
• Eliminación del calor.
• Creación de condiciones correctas de corte o cizalla. En este sentido, valores altos de corte pueden dañar al organismo y valores bajos pueden ser indeseables debido a que pueden producir floculación o un crecimiento inadecuado.

1. Diseño

El diseño de un Biorreactor depende de:

1. Su configuración (tanque agitado, columna de burbuja, de tiro o corriente de aire – Loop, Lecho empacado, etc.)
2. Del tamaño del Reactor
3. De las condiciones de proceso en el interior del reactor: pH, temperatura y tensión de oxígeno.
4. Modo de operación: operación continua y discontinua y alimentación del sustrato en forma intermitente.

Los biorreactores pueden ser:

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1. Biorreactor de Tanque Agitado (SRT)

En estos biorreactores la mezcla y dispersión de burbujas se alcanza mediante la agitación mecánica, lo cual requiere relativa mayor energía por unidad de volumen. La DISPERSIÓN ES limitada por el tamaño de los remolinos, cuyo tamaño viene dado por una escala por turbulencia o escala Kolmogorov.

1. Partes del Biorreactor de Tanque agitado

1. Recipiente o vasija

Se considera por lo general que las vasijas para cultivos microbianos generalmente están provistas de cuatro cortacorrientes que se proyectan hacia la vasija desde las paredes para impedir la formación en el fluido de torbellinos y de un vortex. Por lo cual se considera que el ancho de los cortadores es 1/10 o 1/12 del diámetro del tanque.

La relación del tanque (es decir, la altura con respecto al diámetro) es que la altura tiene un 25% que la medida del diámetro.

Los recipientes para experimentos de laboratorio de hasta 20 l de volumen se hacen de vidrio y para volúmenes mayores su construcción es de acero inoxidable.  

1. Agitadores

Por lo general, el número de agitadores depende de la relación altura diámetro.

El agitador del fondo está colocando a una distancia de aproximadamente 1/3 del diámetro del tanque por encima del fondo del tanque.

Los agitadores adicionales están esparcidos entre si aproximadamente una distancia de una dos veces del diámetro del tanque.

Hay tres tipos de agitadores que son utilizados en biorreactores que son:

1. Turbina
2. Impulsor
3. MIG/INTERMIG

Las turbinas de Roshton es la más usada de los tres tipos de agitadores. Consta de varias paletas sujetas a un eje central por lo general consta de entre cuatro a seis paletas. Así mismo, las turbinas  de aspas planas que dan un flujo radial son ideales para disipar el gas cuando es introducido junto por debajo del impulsor sobre el eje y es llevado hacia las aspas y se rompe en finas burbujas.

El diámetro del agitador es aproximadamente 1/3 del diámetro de la vasija en el caso de los agitadores que se usan para disipar el gas como las turbinas de disco de Rushton y los agitadores cóncavos con paletas. Los agitadores hidrodinámicos de mayor tamaño, con diámetro de 0.5 a 0.6 veces el diámetro del tanque son especialmente efectivos para el mezclado de la masa y se utilizan en fermentadores de caldo que tienen micelio y son altamente viscosos.

En aplicaciones para cultivos animales o de plantas, la velocidad del agitador no pasa de unos 120 rpm en vasijas mayores de unos 50L. velocidades de agitación más altas en los cultivos de microorganismos, excepto en los cultivos que forman micelios o filamentos, en los que la velocidad extrema (es decir, π x diámetro de agitador x velocidad de rotación) en general 7.6 m.s-1

1. Aireadores

La velocidad de aireación superficial (es decir, la velocidad de flujo volumétrico del gas dividida por el área de la sección transversal de la vasija) en vasijas agitadas debe permanecer por debajo del valor necesario para inundar el agitador (un agitador se inunda cuando recibe más gas del que puede disipar efectivamente). Un agitador inundado es un mal mezclador. La velocidad de aireación superficial no excede generalmente los 0.05 m.s-

Los tanques agitados son entre los tipos más ampliamente utilizados de biorreactores especialmente en la producción de antibióticos y ácidos orgánicos

1. Datos a tomar en cuenta

Para la elaboración de un biorreactor también se tiene que tener en cuenta que:

• Existe una amplia variedad de tamaño y de forma de rodetes que producen diferentes tipos de flujos en el recipiente. Considerando a la turbina tipo Rhuston como la tipo universal opera en amplios rangos de viscosidad.
• Es recomendable llenar con liquido solo el 70 al 80% del volumen de biorreactor.
• Si la formación es espuma es problema se instala otro rodete o rompedor de espuma.
• El factor de forma (altura – diámetro es variable, se necesita aireación el factor debe aumentar).
• El control de temperatura y transmisión de calor puede resolver con serpentines internos o chaqueta externa.

1. Operaciones y ecuaciones en el diseño del biorreactor

1. Potencia del Agitador

Se trabajaran con las siguientes variables.

NP = Numero de Potencia

ρ = Densidad

D = Diámetro total de la turbina

Vi = Velocidad de la turbina

µ = Viscosidad

NR = número de Reynolds

Dónde:

Np = 5.46 * (Diámetro de la turbina / Ancho de la turbina) * 5

Siendo 5 el factor de corrección y 5.46 el factor para estas turbina.

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