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Diseño de reactores y bioreactores

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OSCAR DIAZ MORALES

on 27 March 2014

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Transcript of Diseño de reactores y bioreactores

Ingeniería de Procesos
Introducción
Proceso de producción de MSG
Bioreactor Design Via Spreadsheet–
a Study On The
Monosodium glutamate (MSG) Process

Jolius Gimbun, A.B. Dayang Radiah, T.G. Chuah

Diseño De Un Biorreactor Mediante una Hoja De Cálculo -

Un Estudio Sobre el Proceso de produccion del Glutamato Monosódico (MSG)
El Ácido Glutámico
El ácido glutámico es un aminoácido no esencial que se utiliza en el organismo para la síntesis de proteínas.
Es el neurotransmisor excitador (estimulante) más común en el sistema nervioso central.
Es de gran importancia en el funcionamiento del Sistema Nervioso Central, también actúa como estimulante del sistema inmunológico. Su papel como neurotransmisor está mediado por la estimulación de receptores específicos, denominados receptores de glutamato. Todas las neuronas contienen glutamato, pero solo unas pocas lo usan como neurotransmisor.
Diseño de reactores y bioreactores

Glutamato Monosódico MSG
El glutamato Monosódico (GMS o MSG) es la sal sódica del ácido glutámico.
Proceso de Producción
Procedimiento de cálculo
El proceso de producción del MSG se realiza típicamente mediante una bioreacción en presencia de una enzima.

El primer paso para el diseño del bioreactor es calcular el balance molar o de masa y de energía en el bioreactor.

(Los cálculos presentados están basados en el proceso de fermentación del acido glutámico).

Balance másico / molar
Profesor
MSc. Henry Lambis
Integrantes
Ialeidys Lee Herrera
Meruins Ponce Montero
Oscar Díaz Morales
Los cálculos preliminares de diseño de una unidad siempre son necesarios para determinar el orden o magnitud de la planta. Hay unos cuantos pasos a seguir para el diseño de un bioreactor, como por ejemplo los cálculos de balance molar o de masa y de energía necesarios antes de determinar su tamaño.

En este estudio una hoja de calculo es usada como una herramienta para hacer mas rápido y exactos los cálculos.

El proceso de fermentación del ácido glutámico fue el usado para describir de manera global el método de diseño del bioreactor mediante una hoja de calculo.
La cepa bacteriana, cuidadosamente conservada, se multiplica en recipientes de volumen crecientes. El tanque de fermentación contiene la solución azucarada (melazas residuales baratas de las fábricas de sacarosa) con los factores necesarios para el crecimiento bacteriano
Se inocula el cultivo, se agita y se introduce aire y amoniaco como fuente de nitrógeno. Manteniendo el pH y la temperatura en los límites fisiológicos requeridos.
Después de la fermentación se filtra el caldo y se purifica el Glutamato medinate resinas de intercambio iónico y por cristalización.
En este proceso, de 1 Kg de glucosa se obtiene ½ Kg de glutamato monosódico.
Actualmente el ácido glutámico se obtiene en grandes cantidades por biosíntesis bacteriana. Las bacterias producen su ácido glutámico a partir de glucosa. Algunas, como la corynebacterium glutamicun lo producen en exceso y lo vierten al medio de cultivo y de este modo se puede purificar.
Se trata de un aminoácido simple, que actúa como un importante neurotransmisor excitador en el SNC, y juega un papel importante en la transmisión rápida (respuesta a la estimulación), la cognición, la memoria, movimiento y sensación.
Desarrollo del trabajo
En diseño, con frecuencia es necesario desarrollar cálculos de las condiciones de operación con el fin de determinar una configuración óptima.
En el diseño de bioreactores, hay dos métodos convencionales para llevar a cabo esa tarea:

Una es mediante cálculos manuales.
La otra es mediante el uso de alguno de los programas de simulación comerciales.

El método presentado ofrece una manera rápida y sencilla de obtener de manera preliminar las estimaciones del diámetro y altura del bioreactor, requerimiento de serpentín de refrigeración, diámetro del bafle, impeler y anillo rociador.
En la siguiente figura se muestra la configuración típica de un bioreactor.

Una tercera alternativa es la presentada en este trabajo: consiste en introducir todas las ecuaciones del cálculo manual en una hoja de calculo electrónica como MS Excel
Elimina la necesidad de emplear costosos software de simulación y las extensas labores de realizar los cálculos a mano
Una de las aplicaciones de ingeniería que está disponible en MS Excel es el complemento “Solver” que juega un papel importante en la ingeniería de procesos, mediante una función de encontrar valores raíces para encontrar una correspondencia de entrada variable con una salida fija
Dimensionamiento del bioreactor
Primero que todo se debe introducir en la hoja de cálculo toda la información relacionada con los químicos a utilizar: densidad, peso molecular, concentración molar, la cantidad o proporción de ácido glutámico por cantidad de glucosa.
La hoja de calculo se desarrolla basada en la estequiometría de la reacción de fermentación del ácido glutámico.
Estequiometria de la reacción de fermentación del ácido glutámico usada en el estudio
El balance se construye enlazando cada celda desde la hoja de calculo de la ecuación de la reacción a las de propiedades físicas y químicas.
De este balance se obtienen la cantidad de sustrato (Glucosa), amoniaco y aire (suministro de oxigeno) que requieren ser calculados.
Las ecuaciones usadas en el balance:
El balance másico del componente A en el bioreactor se calculó mediante la expresión
El balance molar del componente A en el bioreactor se calculó mediante la expresión:
La ley del gas ideal aplicada para estimar las ratas de flujo volumétrico de los gases esta dada por:
se considera solo si la presión de aire no supera las 2 atm.
Por último el volumen final del caldo, el cual es igual al volumen de trabajo del bioreactor se estima mediante la expresión:
Balance de Energía
La hoja de calculo también permite realizar los cálculos del balance de energía requerida alrededor del tanque bioreactor.

La ecuación general del balance de energía es:
Hoja de cálculo de dimensionamiento del bioreactor
Después de haber realizado el balance molar o másico, el volumen de trabajo del bioreactor puede ser calculado.
Un volumen típico de trabajo de un bioreactor es del 80% del volumen total como se muestra en la tabla 1 junto con otros criterios de diseño del bioreactor.
La hoja de calculo de dimensionamiento del bioreactor se construye enlazando las celdas del volumen de trabajo de los balances másico o molar con la de criterios de diseño de la tabla 1.
Basado en estos criterios se determinan los datos de diseño del bioreactor.
En el archivo de Excel se puede apreciar la hoja de cálculo construida para obtener los balances de masa, molar y cantidades de gases requeridas para el diseño del bioreactor
Estos cálculos permiten determinar si se requiere un sistema de serpentín de refrigeración.
Puesto que es muy difícil de determinar el calor generado por la actividad de microorganismos, la cantidad de calor generada en el proceso de fermentación esta basada en el comportamiento típico de ese proceso mostrado en la siguiente tabla,
La hoja de cálculo del balance de energía se construye enlazando los datos de diseño de las celdas de volumen de trabajo del bioreactor, ratas de flujo de aire y de amoniaco y rata de flujo de sustrato.

El fluido refrigerante seleccionado es agua.
Esta hoja calculará el calor neto generado por la fermentación por unidad de tiempo, es decir: potencia, la cual es igual a la que debe tener el serpentín de refrigeración a ser diseñado.
La hoja de cálculo siguiente, muestra el resumen del balance de energía.
Resumen de los cálculos
Por ultimo en la tabla siguiente se muestra el resumen de todos los cálculos que se obtuvieron mediante el uso de la hoja de MS Excel.

Y esta información se puede visualizar en el siguiente diagrama de flujo.

Conclusiones
El diseño de un bioreactor mediante una
hoja de cálculo es fácil de aprender, y ofrece una forma más rápida para el cálculo preliminar de los datos de diseño del bioreactor.

La hoja de cálculo también elimina la probabilidad del error humano al permitir hacer procesos de iteración, los cuales son comúnmente utilizados en diseño.

Elimina también los costos de licencia de un software de simulación comercial ya que proporciona una alternativa más barata
en comparación con el software
comercial que es mas costoso.
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