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