Capitulo 7.pptx

“UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ” FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUÍMICA

FERMENTACIONES QUE CONTIENEN PELICULAS MICROBIANAS CÁTEDRA: Ingeniería de Bioprocesos CATEDRÁTICO :

Ing. Jose Pomalaya

INTEGRANTES: 

Rojas Urcohuaranga,Grinder Hernán

SEMESTRE:

V HUANCAYO – PERÚ 2020

FERMENTADORES QUE CONTIENEN PELICLUAS MICROBIANAS

7.2 FERMENTADOR DE PELICULA MICROBIANA COMPLETAMENTE MEZCLADA (FPMCM) Dos configuraciones son posibles para FPMCM; las partículas pueden añadirse al FCTA (figura 7.6) o puede adoptarse el dispositivo planteado en la figura 7.7, este último consiste en un tubo cilíndrico vertical que contiene partículas biológicamente activas. Una bomba centrifuga alimenta el material desde un recipiente de residencia a la base del tubo y lo devuelve al recipiente; si es necesario puede incluirse en el circuito una centrifuga continua. El control de temperatura se consigue mediante un sobreenfriamiento de la sección tubular, mediante una camisa de agua, y a continuación un recalentamiento con calentadores eléctricos de inmersion.Durante el funcionamiento la razón de recirculación, es decir la razón entre el caudal a través de la bomba y el caudal de entrada del fermentador, es grande. Esto tiene dos efectos: hace que las condiciones a través del fermentador sea esencialmente uniformes y proporciona también la fuerza necesaria para fluidizar las partículas soporte.

Para las configuraciones en consideración, es razonable suponer que los floculos microbianos son pequeños de tamaño incluso de las proporciones de una célula. La película microbiana existe en la región “lecho fluidizado” así como en las líneas de transferencia de transferencia del fermentador. Debido a la intensidad de la acción mecánica las películas microbianas sobre las partículas serán de pequeñas proporciones. En el resto de la unidad solamente está implicado el esfuerzo de cizalladura hidrodinámico y ello lleva a pelizalas más gruesas. La cinética de las reacciones microbio-sustrato viene dadas por el (capitulo 4): Floculos microbianos pequeños ; todas las concentraciones de sustrato

Películas microbianas “ delgadas”, todas las concentraciones de sustrato

Películas microbianas “gruesas” ;bajas concentraciones de sustrato

Las características del FPMCM se describen en las ecuaciones (4.51), (4.60), (4.62), (7.2) y (7.3) y se obtienen una solución algebraica para el problema matemático de la siguiente serie de operaciones .De las ecuaciones (7.2) y (7.3):

Las combinaciones de las ecuaciones (7.2),(7.3) y (7.4) conduce a

Donde:

La solución de la ecuación (7.5) puede expresarse como:

Esta ecuación proporciona una relación entre la concentración adimensional de sustrato en el fermentador, los parámetros del sistema, y las variables físicas independientes. El reajuste de la ecuación (7.4) proporciona una concentración microbiana adimensional, que está relacionada con la ecuación (7.7)

Las ecuaciones (7.7) y (7.8) dan una descripción algebraica completa de las condiciones dentro del fermentador 7.2.1. El FCTA UNICO (𝑨𝟏 = 𝑨𝟐 = 𝟎) De las expresiones para 𝐴′ 𝑦 𝐵′

Por lo tanto, siempre que k sea pequeña 𝐴′ 𝑦 𝐵 ′ ≫ 1 El valor límite de la ecuación (7.9) es la unidad. Este valor asintótico corresponde al FCTA único, es decir la ausencia de superficie biológicamente activa, y en estas condiciones la solución (7.5) viene dada por

La ecuación (7.11) corresponde a la ecuación de diseño para el FCTA único (sección 6.3.1) y define los límites de la región de interés para el FPMCM (figura 7.8) 7.2.2 Ausencia de película “gruesa” ( 𝑨𝟐 = 𝟎) Es bastante comparar la figura 7.8 con la figura 6.11 y obtener una apreciación de las características de funcionamiento del fermentador. Si el área de la película microbiana “gruesa” puede despreciarse( y es probablemente razonable acordar que 𝑨𝟐 es tan pequeña como sea posible por las razones apuntadas en la sección 7.1),entonces la ecuaciones (7.6) se reducen a :

Y

Las ecuaciones (7.12) y (7.13) pueden escribirse convenientemente como

Y

Donde

Y

En las ecuaciones (7.16) y (7.17) 𝐺𝑚𝑎𝑥 representa la velocidad específica máxima de crecimiento de masa microbiana 𝑆0 𝐾0 𝐾1 / 𝜌0 𝑘3.Los parámetros𝛼 ′ 𝑦 𝛽 ′ respectivamente reflejan la influencia del caudal y del área biológicamente activa en el rendimiento del fermentador. Como con el FCTA el efecto de la respiración endógena disminuye al aumentar el caudal es decir (1+kV/F) tiende a la unidad

La productividad del fermentador expresa como sustrato consumido está relacionado con la concentración de sustrato mediante

O bien, Donde En estas condiciones la ecuación (7.7) se convierte en

Es una productividad adimensional Pr Esta ecuación se ha representado en la figura 7.9, despreciando el término kV/F, para un valor particular del parámetro 𝑘3 𝐶𝑖 . En esta figura es evidente la ausencia del fenómeno de “arrastre “para valores de 𝛽 ′ distintos de cero es decir, áreas biológicamente activas finitas.

7.2.3. Inclusión de una etapa de concentración microbiana

Una centrifugación situada en el circuito del fermentador representado en la figura 7.7 provoca una situación donde la suposición de mezcla completa es menos satisfactoria debido a al naturaleza del flujo a través de la región de lecho fluidizado. El FCTA al que se le hayan añadido partículas no tiene esta limitación teórica puesto que la mezcla se consigue por recirculación interna en la zona de fermentación. El efecto de incluir una centrifuga puede ser evaluado como para un FCTA único .La ecuación (7.5) representa la ecuación de diseño, pero los coeficientes vienen dados por

Donde 𝑤 = 1 − 𝜏 𝛾 − 1 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝛾 es la razón de concentración microbiana (>1) y 𝜏 la razón de recirculación .Los datos dados en la figura 7.8 incluyen este caso. Esto se cumple además en las figuras 7.9 y 7.10, considerando que los coeficientes 𝛼 ′ 𝑦 𝛽 ′ se interpretan como:

7.3 Fermentador de película microbiana 7.3.1 Espesor controlado de película microbiana El FPMCM ilustrado en la figura 7.7 podría operar sobre la base de “un solo paso” indicada en la figura 5.10.Siempre que se seleccionase una combinación de caudal y de propiedades de las partículas (tamaño y densidad) de forma que las partículas experimentales se movieran solo lo suficiente para controlar el espesor de la película biológica, el resultado sería equivalente a una configuración de fermentador tubular, es decir, un fermentador con una distribución acial de las concentraciones.

Para un modelo sencillo de flujo de pistón, un balance de materia referido al sustrato limitante aplicado a una longitud diferencial de fermentador, despreciando los efectos de dispersión da

Donde Q es el caudal volumétrico por unidad de área de sección transversal, M es la concentración local de los floculos microbianos, N y R representan el consumo de sustrato por la película y los floculos respectivamente. Para una película delgada el flujo de sustrato N viene dada por:

Y para floculo pequeños, la velocidad específica de consumo de sustrato es:

En las ecuaciones (7.32) y (4.62), h es un coeficiente de transferencia de materia basado en el área de transferencia y C* representa la concentración de sustrato en la interfase “solido-liquido” Ausencia de limitaciones de la difusión Siempre que la transferencia de materia en fase liquida no influye, es decir C* se aproxima a C, la ecuación (7.31) puede integrarse formalmente, como se indica a continuación

Las concentraciones locales microbianas y de sustrato, pueden relacionarse con las condiciones de entrada mediante un balance de materia global, es decir,

O bien

La combinación de las ecuaciones (7.33) y (7.34) conduce a

Donde 7.3.2. Fermentador de película alimentado a una FFP

Donde

Los fermentadores de película microbiana puede ser nuevamente aplicable a todas la fermentaciones aunque de momento parece ser suficiente al utilizar el fermentador de película microbiana para generar mas microbiana .Con esta masa se puede entonces alimentar a un fermentador tubular .Tal como se ilustra en la figura 7.16 .Consiste en dos secciones tubulares de diferentes diámetros montadas una sobre otra; la sección inferior consiste en un fermentador de película microbiana controlada y la sección superior es un simple fermentador de película microbiana controlada y la sección superior es un simple fermentador tubular. Los diámetros de las dos secciones eran diferentes normalmente, y que tendrán diferentes requerimientos en lo que respecta a las velocidad del fluido .En uno, la fluidización de las partículas soporte dominara el diseño, mientras, en el otro, el tiempo de residencia total del medio nutriente será lo más importante.

En estas ecuaciones 𝐶𝑖′ 𝑀𝑖′ representan las condiciones de entrada a la sección con flujo de pistón y 𝑄𝐹𝐹𝑃 es el caudal volumétrico por unidad de sección transversal de la segunda etapa. Combinando las ecuaciones (7.58) y (7.59)

Y combinando las ecuaciones (7.57) y (7.60) Para un sistema asociado al crecimiento sencillo la ecuación (7.45) suministra las ecuaciones de diseño para la sección que contenga las películas microbianas. La aplicación de las ecuaciones (7.33)(7.34) a la sección con flujo de pistón da:

Donde

7.3.3. Espesor “incontrolado” de la película microbiana Los fermentadores que contienen una película biológica de espesor” incontrolado” se han usado principalmente en la industria de tratamiento de aguas residuales con el nombre de “filtros de goteo”. La retención de microorganismos en el “filtro es muy irregular y varía localmente como resultado del desmoronamiento y de la acción de los organismos superiores. El líquido fluye a través del filtro en forma de una película bajo la acción de la gravedad. Normalmente el área mojada por la película liquida es mucho menor que el área bilógicamente activa disponible. El crecimiento tiene lugar en las regiones donde se suministran los nutrientes y el aumento del espesor de la película microbiana hace que el líquido se desplace lateralmente. El resultado es una interacción compleja entre la cinética microbiana, el espesor de la película microbiana y el área mojada.

Cuando se pone en marcha el filtro, los microorganismos se cumulan hasta que el rendimiento se hace prácticamente independiente de la acumulación adicional. Esto es similar a las condiciones que resultan de los datos mostrados en la figura 7.2 Sin embargo, incluso cuando las características de la alimentación son constantes se encuentra que el rendimiento del fermentador varia con el tiempo pues el nuevo producto del crecimiento se modifica el modelo de flujo líquido(figura 7.18)Así pues ,ha de aceptarse que el rendimiento de un “filtro de goteo” vararía con el tiempo alrededor de un valor medio. Esta variación no es predecible y el objetivo debe ser suministrar una aproximación al rendimiento medio.

El modelo de flujo líquido es intrínsecamente variable y en muchos casos es probablemente más próximo en cascada que al flujo en forma de película. A causa de la magnitud del caudal los floculos microbianos contribuyen poco al rendimiento y la teoría apropiada de la sección 7.3.1 se aplica que el coeficiente de transferencia de materia en fase liquida es casi imposible de interpretar y determina, Sin embargo, a causa del gran espesor de película microbiana, es aplicable de forma asintótica de la ecuación de velocidad biológica y las ecuaciones (7.42) y (7.53) se reducen a:

Es decir,

En estas circunstancias la ecuación de diseño (7.53) se reduce a: