Para la determinación del tamaño de un reactor son tomados en cuenta una serie de requerimientos, entre ellos, la transferencia de masa, calor y momento.
Los requerimientos más conocidos para la transferencia de calor son el uso de chaquetas e intercambiadores de calor, sin embargo, esto reduce la eficiencia del proceso.
En las transferencias de masa a mayor escala (escala píloto) existen muchas interrogantes, que son básicamente, el tamaño y el tipo de las plantas.
Ahora bien, se sabe que existen muchos productos químicos que pueden ser producidos por microorganismos en una fermentación aerobia, donde se generan las condiciones adecuadas para el crecimiento del microoganismo, favoreciendo de ésta manera la producción del producto de interes.
En un proceso hipotético
En esta simulación se tiene la idea de la necesidad de un reactor de grandes dimensiones
Objetivo: Producir 100 000 Tn/año de producto
Supuestos:
- El caldo fermentado debe tener una concentración de 5% p/p después de 100 horas de incubación.
- Usando 10% de inoculo.
- Las semillas se incubaran durante 36 horas con un tiempo de espera de respuesta de 12 horas.
- La gravedad específica del fermentador debe ser de 1.02
- El llenado del fermentador debe ser al 80%
- La altura máxima de los lados del fermentador será de 60 pies.
- La tasa de absorción de oxígeno es de 100 mmol/L/h.
- El tiempo de respuesta de la fermentación será de 25 horas (desde la última cosecha, desinfección, llenado hasta la inoculación).
- Planeado bajo por 30 días al año de revisión, más 15 días de contingencia.
- El rendimiento debe ser del 95%
Cálculos:
1. Requerimientos de la fermentación = (100 000 Tn/a) / (95% rendimiento) = 105 000 Tn/a
2. Requerimientos del caldo fermentado = [(105 000 Tn/a) (2 000 lb/Tn)] / (0.05 Tn producto / Tn caldo) = 4 200 000 000 lb caldo/a
3. Producción volumétrica de la fermentación = (4 200 millones lib caldo/a) / [(8.34 lb/gal)(1.02)] = 494 000 000 gal/a = 1 540 000 gal/d = 64 300 gal/h = 1 070 gal/min
4. Capacidad total requerida para el fermentador (volúmen de trabajo) = (64 300 gal/h)(125 h/ciclo de fermentación)= 8 000 000 gal.
Un fermentador de 3 metro de diámetro tiene la capacidad de producir 100 mmol/L/h, es económico pero se necesitan 284 fermentadores y 110 trenes de semillas. Sin embargo, con uno de 18. 20 metros de diámetro se requerirían solo 8 fermentadores y 4 semillas.
Transferencia de oxígeno
La transferencia de oxígeno a un fermentador es un claro ejemplo de transferencia de masa, ya que desplaza al líquido, aunque para ello se necesita un tamaño y una fuerza de arrastre específicos, así como tener en cuenta la viscosidad y la densidad del líquido dentro del fermentador.
La transferencia de oxígeno se calcula:
OTR = kL x a (Cburbuja - Clíquido)
Donde:
OTR = transferencia de oxígeno (mmol/h)
kL = conductancia (reciproco de la resistencia)
a = superficie
C = concentración de oxígeno
El efecto del tamaño del tanque
El tamaño del tanque generá algunas restricciones debido a que las burbujas de oxígeno deben aumentar su tamaño para poder llegar al fondo del tanque, y la fuerza con la que son impulsadas dentro también aumenta, todo esto conlleva a una elevación de los costos.
Las pruebas a escala píloto son un trabajo crítico en un nuevo proceso, las aplicaciones de la fermentación requieren el conocimiento del organismo que se empleará, así como las condiciones específicas del proceso, ya que el ignorarlos puede ocasionar la muerte del microorganismo durante la fermentación.
Escala píloto
Los principales requerimientos estudiados en una planta píloto son: transferencia de masa, dispersión de gas y las mezclas. Las 3 tienen la misma importancia.
La información obtenida del trabajo en escala píloto es usado posteriormente en un modelo de operación a mayor escala. El trabajo de éstas plantas consiste en determinar, por ejemplo, el tipo de impulsor (agitador), el diámetro y el nivel de poder necesario para la agitación.
El rotamotor puede ajustarse al flujo de gas en un rango específico.
El oxígeno disuelto también debe tenerse en cuenta, para encontrarlo, generalmente, en la parte superior o inferior del tanque.
El diseño de un fermentador es largo, se debe tener mucha precaución en el diseño para no crear un fermentador muy alto (ineficaz). Cuidando la melaza y la transferencia de masa en el fermentador más gande.
El uso de microorganismos tolertantes a un bajo o ningún índice de oxígeno disuelto resultan muy ventajosos, porque permiten transferencias de masa más altas. Un microorganismo que no produce un producto más económico porque reduce los costos de agitación.
Fuente:
www.CHE.com / chemical engineering :mass transfer in fermentation scaleup march., 2014
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