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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
“FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA”
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA
TEMA:
CÁTEDRA : BIOTECNOLOGIA.
CATEDRÁTICO : Ing. Mg. POMALAYA VALDEZ, José.
ALUMNO : CAMARENA VALENZUELA, Marco Antonio.
SEMESTRE : X
Huancayo – Perú
2012-I
I. RESUMEN
REACTOR BIOLOGICO ANAEROBIO TIPO FILTRO
El presente informe tiene como resumen conocer los diferentes tipos de reactores
biológicos que existen para llevar a cabo una reacción biológica donde intervienen una
enzima y un sustrato, ya sean empacadas o sin empaques.
El diseño en bioingeniería no es solo la aplicación de conceptos básicos y teóricos que
conlleven a lograr un prototipo; para la realización integra 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 de
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.
II. INTRODUCCION
La velocidad de carga orgánica máxima de un proceso anaerobio está limitada por el
tiempo de retención y por la actividad de los microorganismos implicados en los
mecanismos bioquímicos de degradación de la materia orgánica. Puesto que las bacterias
formadoras de metano tienen una velocidad de crecimiento baja, la retención de la
biomasa activa es la clave de la operación de los reactores anaerobios avanzados, que
permiten operar con bajos tiempos de retención hidráulicos (TRH) y elevados tiempos de
retención de sólidos (TRS).
Todas las técnicas actualmente utilizadas se basan en la propiedad de las bacterias de
formar flóculos por unión con otras bacterias, o de adherirse sobre superficies sólidas. En
este sentido, las técnicas de retención de los microorganismos en el reactor pueden ser:
Sedimentación interna.
Sedimentación externa y recirculación.
Inmovilización sobre superficies sólidas. Con respecto a la actividad de los
microorganismos, puede conseguirse un comportamiento óptimo mediante:
Eliminación de depósitos de material inerte. La mayor parte de las aguas
residuales contienen sólidos inertes no degradables cuya acumulación en el
digestor hace descender la concentración de la biomasa activa. Este problema
puede resolverse utilizando una etapa previa de separación de estos materiales.
Disminución de las limitaciones relacionadas con el fenómeno de difusión. La
actividad de los organismos puede estar limitada por la difusión del sustrato. El
proceso de difusión externo se incrementa mediante una adecuada agitación que
facilite el contacto bacteria / sustrato. La difusión interna, a través de la capa de
microorganismos que forman flóculos o película adherida, se facilita utilizando
espesores de biocapa inferiores a 1 mm.
III. OBJETIVOS
III.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un reactor biológico anaeróbico tipo filtro, para reacciones de
enzima sustrato utilizando aproximadamente 60 soportes cerámicos.
III.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Conocer las distintas aplicaciones y usos de los reactores biológicos.
Dar las diferencias entre reactores biológicos.
Estudiar los principios del reactor biológico anaeróbico tipo filtro.
Conocer los diferentes tipos de reactores biológicos anaeróbicos tipo filtro.
Estudiar el funcionamiento del reactor biológico anaeróbico tipo filtro.
IV.MARCO TEORICO
IV.1. BIORREACTOR
Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente
activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un
proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas
derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico.
Estos biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos
mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados de acero inoxidable.
Un biorreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para crecer
células o tejidos en operaciones de cultivo celular. Estos dispositivos se encuentran
en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos.
IV.2. DISEÑO DE BIOREACTORES
El diseño de biorreactores es una tarea de ingeniería bastante compleja. Los
microorganismos o células son capaces de realizar su función deseada con gran
eficiencia bajo condiciones óptimas. Las condiciones ambientales de un biorreactor
tales como flujo de gases (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, etc.),
temperatura, pH, oxígeno disuelto y velocidad de agitación o circulación, deben ser
cuidadosamente monitoreadas y controladas.
La mayoría de los fabricantes industriales de biorreactores usan recipientes,
sensores, controladores y un sistema de control interconectados para su
funcionamiento en el sistema de biorreacción (ver PLC).
La misma propagación celular (fenómeno conocido en inglés como Fouling) puede
afectar la esterilidad y eficiencia del biorreactor, especialmente en los
intercambiadores de calor. Para evitar esto, el biorreactor debe ser fácilmente
limpiable y con acabados lo más sanitario posible (de ahí sus formas redondeadas).
Se requiere de un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a temperatura
constante. La fermentación biológica es una fuente importante de calor, por lo que en
la mayor parte de los casos, los biorreactores requieren de agua de enfriamiento.
Pueden ser refrigerados con una chaqueta externa o, para recipientes sumamente
grandes, con serpentines internos.
En un proceso aerobio, la transferencia óptima de oxígeno es tal vez la tarea más
difícil de lograr. El oxígeno se disuelve poco en agua (y aún menos en caldos
fermentados) y es relativamente escaso en el aire (20.8 %). La transferencia de
oxígeno usualmente se facilita por la agitación, que se requiere también para mezclar
los nutrientes y mantener la fermentación homogénea. Sin embargo, existen límites
para la velocidad de agitación, debidos tanto al alto consumo de energía (que es
proporcional al cubo de la velocidad del motor) como al daño ocasionado a los
organismos debido a un esfuerzo de corte excesivo.
Los biorreactores industriales usualmente emplean bacterias u otros organismos
simples que pueden resistir la fuerza de agitación. También son fáciles de mantener
ya que requieren sólo soluciones simples de nutrientes y pueden crecer a grandes
velocidades.
En los biorreactores utilizados para crecer células o tejidos, el diseño es
significativamente distinto al de los biorreactores industriales. Muchas células y
tejidos, especialmente de mamífero, requieren una superficie u otro soporte
estructural para poder crecer y los ambientes agitados son comúnmente dañinos para
estos tipos de células y tejidos. Los organismos superiores también requieren medios
de cultivo más complejos.
IV.3. CULTIVOS Y FERMENTACIONES
Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que
contrario a los químicos, su cinética no está determinada exclusivamente por la
velocidad de reacción y las variables que la determinan. Aunque se puede describir
de manera similar a la química, la cinética biológica también depende de
características intrínsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y taza de
división celular, así como, del tipo de operación que se lleve a cabo. Por eso, lo
primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización;
es decir, que tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de
cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes
objetivos:
1. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.
2. Mantener constante y homogénea la temperatura.
3. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.
4. Prevenir la sedimentación y la floculación.
5. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.
6. Mantener el cultivo puro.
7. Mantener un ambiente aséptico.
8. Maximizar el rendimiento y la producción.
9. Minimizar el gasto y los costos de producción.
10. Reducir al máximo el tiempo.
Una fermentación es un proceso biológico o bioproceso que consiste en la
descomposición de la materia orgánica por microorganismos fermentadores
(bacterias y hongos).
Un cultivo también es un bioproceso; pero generalmente se asocia a organismos o
microorganismos superiores (en orden jerárquico) a las bacterias; los cultivos son
casi todos del Reino Eucariota.
IV.4. CLASIFICACIÓN DE LOS BIORREACTORES
IV.4.1. CLASIFICACIÓN OPERATIVA
Tanto biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de
acuerdo al modo de operación: discontinuo, semicontínuo, continuo. Esta
es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea químico o
biológico (biorreactor). En los reactores biológicos el modo de operación
define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificación
procesal-productiva del bioproceso (cultivo). Al operar un biorreactor en una
determinada categoría (discontínuo, semicontínuo, contínuo),
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.
IV.4.2. CLASIFICACIÓN BIOLÓGICA
Los sistemas biológicos deben interaccionar con el ambiente externo para
poder crecer y desarrollarse; es por eso que 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. Estas características son las que
intervienen en la parte biológica del sistema y tienen que ver con el
crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo; por lo que, definen la
clasificación biológica-procesal del sistema de cultivo.
IV.4.3. CLASIFICACIÓN BIOLÓGICA-OPERATIVA
Ambas clasificaciones; la biológica y la operativa, son procesalmente
interdependientes y en su conjunto afectan el diseño final del biorreactor. Al
conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan también la función operativa y
la biológica para establecer entre ambas un propósito de utilización, el modo
de cultivo y el bioproceso. Siendo el propósito de utilización, el destino de
cultivo del biorreactor; para qué tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor;
el modo de cultivo es sinónimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en sí,
todo el proceso.
En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones
ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera)
al elemento que se cultiva. En función de los flujos de entrada y salida, la
operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos:
1. Lote (Batch)
2. Lote alimentado (Fed-Batch)
3. Continuo o quimiostato
IV.5. FILTRO ANAEROBICO
Un Filtro Anaeróbico es un reactor biológico de cama fija. Al fluir las aguas residuales
por el filtro, se atrapan las partículas y se degrada la materia orgánica por la biomasa
que está adherida al material del filtro.
Esta tecnología consiste en un tanque de sedimentación (o fosa séptica) seguido de
una o más cámaras de filtración. Los materiales comúnmente usados para el filtro
incluyen grava, piedras quebradas, carboncillo, o piezas de plástico formadas
especialmente. El tamaño típico de los materiales del filtro varían entre 12 y 55 mm
de diámetro. Idealmente, el material proporcionará entre 90 y 300 m2 de superficie
por 1 m3 de volumen del reactor. Al proporcionar una gran superficie para la masa
bacteriana, hay un mayor contacto entre la materia orgánica y la biomasa activa que
la degrada efectivamente.
El Filtro Anaeróbico puede ser operado ya sea con flujo ascendente o descendente.
Se recomienda el modo de flujo ascendente porque hay un menor riesgo de que la
biomasa fijada sea arrastrada. El nivel de agua debe cubrir el material del filtro por lo
menos 0.3 m para garantizar un régimen de flujo regular.
Los estudios han demostrado que el TRH es el parámetro de diseño más importante
que afecta el desempeño del filtro. Lo normal y recomendable es un TRH de entre 0.5
y 1.5 días.
Se ha demostrado que lo adecuado es una tasa de carga superficial máxima (p.ej.
flujo por área) de 2.8 m/d. La eliminación de sólidos suspendidos y de DBO puede ser
llegar hasta entre 85% a 90% pero nornalmente está dentro de 50% y 80%. La
eliminación de Nitrógeno es limitada y normalmente no excede del 50% en lo que se
refiere a nitrógeno total (NT).
PROS CONTRAS/LIMITACIONES
- Resistente a cargas de choque orgánicas
e hidráulicas
- No requiere energía eléctrica
- Puede ser construido y reparado con
materiales disponibles localmente
- Larga vida útil
- Costos de capital moderados, costos de
operación moderados dependiendo del
vaciado; puede ser reducido dependiendo
del número de usuario
- Alta reducción de DBO y sólidos
- Requiere una fuente constante de agua
- El efluente requiere tratamiento
secundario y/o descarga adecuada
- Baja eliminación de patógenos y
nutrientes
- Requiere diseño y construcción por
expertos
- Largo tiempo de arranque
IV.5.1. ADECUACIÓN
Esta tecnología es fácilmente adaptable y se puede aplicar a nivel vivienda o
para un vecindario pequeño (ver la Descripción Tecnológica T2: Reactor
Anaeróbico para ver información sobre la aplicación de un Filtro Anaeróbico a
nivel comunidad).
Se puede diseñar un Filtro Anaeróbico para una sola vivienda o para un grupo
de viviendas que usan una considerable cantidad de agua para lavado de
ropa, baño y retretes de tanque. Sólo es apropiada si el uso de agua es
elevado ya que ello garantiza que el suministro de agua es constante.
El Filtro Anaeróbico no opera a toda su capacidad de seis a nueve meses
después de la instalación debido al largo tiempo de arranque requerido por la
biomasa para estabilizarse. Por lo tanto, la tecnología de Filtro Anaeróbico no
debe ser usada cuando es inmediata la necesidad de una tecnología de
tratamiento. Una vez trabajando a toda su capacidad, es una tecnología
estable que requiere poca atención.
El Filtro Anaeróbico debe ser hermético, aún así no debe ser construido en
áreas de nivel freático alto o donde hay inundaciones frecuentes.
Dependiendo de la disponibilidad de terreno y el gradiente hidráulico del
drenaje (si es el caso), el Filtro Anaeróbico puede ser construido sobre o bajo
tierra. Puede ser insta- lado en todo tipo de clima aunque su eficiencia se
reduce en climas más fríos.
IV.5.2. ASPECTOS DE SALUD / ACEPTACIÓN
Como la unidad del Filtro Anaeróbico es subterránea, los usuarios no entran
en contacto con el afluente o el efluente. Los organismos infecciosos no son
suficientemente eliminados, así que el efluente debe ser tratado
adicionalmente o descargado adecuadamente. El efluente, aun con
tratamiento, tendrá un fuerte olor. Por lo tanto, se debe procurar diseñar y
ubicar las instalaciones de manera que los olores no molesten a los miembros
de la comunidad.
Se deben ventilar los Filtros Anaeróbicos para prevenir la liberación de gases
potencialmente dañinos. El desazolve del filtro es peligroso y se deben tomar
medidas de seguridad apropiadas.
IV.5.3. MANTENIMIENTO
Se deben agregar bacterias activas para iniciar el Filtro Anaeróbico. Las
bacterias activas pueden provenir de los lodos de una fosa séptica rociados en
el material del filtro. Se debe incrementar el flujo con el tiempo, y el filtro debe
trabajar a máxima capacidad de seis a nueve meses.
Con el tiempo los sólidos taparán los poros del filtro. Asimismo, la masa
creciente de bacterias será demasiado gruesa y se romperá y tapará los
poros. Se requiere un tanque de sedimentación antes del filtro para evitar que
la mayoría de los sólidos entren en la unidad. El taponamiento parcial
aumenta la capacidad del filtro para retener sólidos. El filtro debe ser limpiado
cuando baje su eficiencia. Los fil- tros se limpian haciendo funcionar el sistema
en modo inverso para desbloquear la biomasa acumulada y las partículas.
También se puede extraer y limpiar el filtro.
V. PARTE EXPERIMENTAL
V.1. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DEL REACTOR BIOLOGICO
ANAEROBICO TIPO FILTRO
Una plancha de acrílico.
Un embudo de 9 Cm de diámetro exterior y 1 Cm de diámetro externo.
Una brida.
Tornillos para asegurar el cabezal del reactor.
Una empaquetadura (jebe de automóvil).
Mangueras.
Tabla 1 . Dimensiones del Reactor.
CARACTERISTICA DIMENSIONES
Altura total del filtro (m) 0.5000
Altura del lecho (m) 0.2670
Altura del cabezal (m) 0.0970
Diámetro interior del lecho (m) 0.0806
Diámetro parte superior filtro (m) 0.1006
Diámetro del embudo (m) 0.0900
Espesor del acrílico (m) 0.0033
Volumen total filtro (mL) 2827
Volumen útil (mL) 2320
Volumen lecho (mL) 1362
V.2. ESPECIFICACIONES DEL REACTOR ABAEROBIO TIPO FILTRO
VI. DISCUSION DE RESULTADOS
VI.1. APLICACIONES
PAUTAS BÁSICAS UASBS, EGSBS, HAFS
Afortunadamente es muy posible realizar esbozos preliminares a efectos de poder
evaluar posibles configuraciones y costeos asociados que naturalmente se
rigorizarán al momento de la elaboración del proyecto o licitación. Aplicando
simplemente cotas de carga hidráulica y orgánica puede dimensionarse en forma
tentativa posibles trenes de tratamiento, a saber:
Carga volumétrica, e.g. 5 kgCOD/day per m3
Reciclo de modo que DQOin < 5,000 mg/L
Velocidad flujo ascendente ca. 1 m/h – EGSBs 10 m/h
MLSS máx 8 % en peso
V de ecualizador usualmente igual o mayor que V reactor
Es muy fácil ver que solamente para instalaciones muy pequeñas, una alternativa
aeróbica puede tener sentido de participar como pretratamiento. Basta recordar
que aún para pretratamiento biológico mediante biotorres aeróbicas no
diseñaríamos con tasas de carga volumétrica mayores a, e.g. 0.8 kgCOD/day
per m3. El reactor genérico aún con un diseño conservador ya demuestra ser
prácticamente cinco veces más compacto que la alternativa aeróbica.
APLICACION # 1: LAGUNA ANAEROBICA
Es importante incluír el dimensionamiento preliminar de una laguna anaeróbica paa no
perder la perspectiva de la verdadera cantidad de días que requiere efectivamente
pretender niveles de remoción comparables. Típicamente reactores de biomasa
extremadamente diluída, variantes de lagunas anaeróbicas involucran grandes
extensiones. Lo que no haga el pretratamiento anaeróbico lo deberá realizar el post-
tratamiento aeróbico. Es fácil comprobar el impacto recalculando HPs según la
alocación/asignación de responsabilidades/capacidades de tratamiento en cada etapa.
APLICACION # 2: REACTOR ANAEROBICO FERMENTADOR DE BAJA TASA
APLICACION # 3: REACTOR ANAEROBICO DE BIOMASA
SUSPENDIDA/DISPERSA UASB
APLICACION # 4: REACTOR ANAEROBICO HIBRIDO
VII. CONCLUSIONES
Se logro diseñar y construir el reactor biológico anaeróbico tipo filtro, que va ser
utilizado para reacciones de enzima sustrato utilizando aproximadamente 60 soportes
cerámicos.
Se conoció las distintas aplicaciones y usos de los reactores biológicos, para
tratamientos de aguas residuales, producción de biogás, descontaminación de aguas
residuales de empresas mineras y/o industriales.
Se conoció las diferencias entre reactores biológicos, anaeróbicos que no necesitan
oxigeno y aeróbicos que necesitan oxigeno para llevarse a cabo la reacción biológica.
Se estudio los principios del reactor biológico anaeróbico tipo filtro, que tiene un
cabezal, una altura de lecho, volumen total del filtro, volumen útil, volumen de lecho.
Se conoció los diferentes tipos de reactores biológicos anaeróbicos tipo filtro, de flujo
ascendente y flujo descendente.
Se estudio el funcionamiento del reactor biológico anaeróbico tipo filtro, con la
utilización de lodos activados, un sustrato y soportes.
VIII. RECOMENDACIONES
Se recomienda la construcción del reactor sin costuras, ya que las bacterias se
pueden adherir en dichas costuras.
En la ciudad de Huancayo de no hacen esos trabajos de construcción de reactores
de material acrílico de tubos de diferentes diámetros, por lo contrario la
construcción del reactor biológico tipo filtro se debe mandar hacer en la ciudad de
Lima.
Los tornillos de seguridad y limpieza del reactor biológico anaeróbico tipo filtro
debe ser de material de acero inoxidable para evitar la corrosión y oxidación.
Tener cuidado en el montaje del reactor biológico anaeróbico tipo filtro.
La empaquetadura debe ser de un material especial para evitar fugas en el reactor
biológico anaeróbico tipo filtro.
IX. BIBLIOGRAFIA
[1]. Castro Paola, Espinoza Belisa, “Evaluación Experimental de la Biodegradación de la
Materia Orgánica de las Aguas Residuales de una Industria Textil en un Reactor
Biológico Tipo Filtro”, Tesis para Optar el Titulo Profesional de Ingeniero Químico,
UNCP. Huancayo, 2003.
[2]. http://www.cbm.uam.es/jlsanz/docencia/Master/Documentos/Master%20T-8.pdf
[3]. http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/Sistemas_secundarios.pdf
[4]. http://biorreactores.tripod.com/C6Clasificacion.htm
[5]. http://bioreactores.wordpress.com/2008/07/16/clasificacion-de-bioreactores/
[6]. http://bioreactores.wordpress.com/2008/07/16/clasificacion-de-bioreactores/
[7].http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_residuales/Dise
%C3%B1o_de_procesos_en_digesti%C3%B3n_anaerobia
[8]. http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/aresidua/mexico/01512e07.pdf