Determinación de la distribución de Tiempos de Residencia (DTR)

LABORATORIO DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA III
PRÁCTICA No. 4
DETERMINACION DE LA DISTRIBUCION DE TIEMPOS DE RESIDENCIA (DTR) EN REACTORES
INTRODUCCIÓN
Esta práctica se aplica un pulso de trazador y se mide la respuesta de salida en los reactores
en flujo continuo. Los alumnos aprenden una técnica usada en la industria y además ven la
diferencia entre los reactores ideales y no ideales. La DTR se utiliza para encontrar el patrón
de mezclado en un reactor continuo e indica los tiempos de residencia de un compuesto a
través de un recipiente. En base a las curvas de DTR se pueden determinar si el flujo es de
tipo pistón o de mezcla completa y si en el recipiente se encuentran zonas muertas o un
mezclado deficiente. En la DTR influye el estado de agregación del material circulante, su
tendencia a agruparse y la velocidad a la que el compuesto es mezclado en el recipiente.
La DTR se puede calcular a través de una función de respuesta a un impulso recibido, que
experimentalmente es la introducción de una cantidad conocida de un trazador al sistema.
Y se considera como el área bajo la curva de la grafica de concentración conocida de un
trazador contra el tiempo. Esta curva puede ser integrada como una curva de distribución
normal recordando que el área bajo la curva (A) es siempre la unidad. Es conocida como
curva “E” y es la que ha de tenerse en consideración para el flujo no ideal.

A   Edt  1
0
El impulso recibido puede ser un escalón en dónde hay un aumento que se mantiene
constante de la concentración del trazador (C) y también del pulso en donde una cantidad
determinada de trazador se introduce una sola vez de manera instantánea.En este caso el
área bajo la curva se define como


C
dt  1 , donde
Q
0
A   Cdt  1 , la cual dividida entre el área bajo la curva queda como A  
0
Q es igual al área bajo la curva de una gráfica de concentración contra tiempo. Se puede


expresar como Q  Cdt es decir el área bajo la curva es igual a la concentración del
0
trazador detectado durante un espacio diferencial de tiempo. Esto se muestra gráficamente
en la siguiente figura.
C
Inyección del
Trazador
Figura 1: Perfil del
pulso del trazador
introducido
y
la
concentración
detectada a la salida
Señal de salida
del trazador (C)
0
t
0
t
LABORATORIO DE INGENIERIA BIOQUIMICA III
OBJETIVO
Encontrar la distribución de los tiempos de residencia (DTR) en un reactor continuo y
determinar el patrón de flujo en el prototipo que se utilizara durante una fermentación
continua para la práctica siguiente.
2
1
1
22
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
2
2
MATERIALES
Celdas de Acrílico (Profesor)
Espectrofotómetro
Gradilla
Tubos de Ensaye (chicos)
Probeta de 50 mL
Vaso de precipitados de 1000 mL
Canastilla para Autoclave y Válvula
Micropipeta de 100-1000L
Micropipeta de 10-100L
Piceta con agua destilada
Piceta con alcohol
Vortex
Matraz aforado de 25 mL
Palangana
Matraz Kitazato de 1 L
Matraz Erlenmeyer de 2 L
Tapones de Hule
Agitador Magnético
Cristalizador
Nuez de sujeción
Pinzas de Tres dedos
1
1
1
1
1
2
2
2
4
Horadador
Microespátula
Bomba Peristáltica (profesor)
Parrilla Eléctrica
Soporte Universal
Tubo de Vidrio
Papel Seda
Puntas para Micropipeta (profesor)
Parafilm
Mangueras de látex
Pipetas pasteur
REACTIVOS
Azul de Metileno
Agar-Agar
NaCl
ALUMNOS
Jeringas de 5 mL
Cinturones de plástico
Tijeras
Franela
Maskintape y Plumón con tinta Indeleble
PREPARACIÓN DE SOLUCIONES (traer cálculos de la soluciones)
(UN ALUMNO DE CADA EQUIPO SE PRESENTARA AL LABORATORIO PREVIO A LA PRACTICA)
1. Preparar 25mL de Azul de Metileno (5 mg/mL)
2. Preparar 1000 mL de Solución de Cloruro de sodio al 0.81% estéril (solución isotónica)
3. Inmovilización de Células: Mezclar el contenido de un matraz semilla de hongo (que el
profesor proporcionará) con 100 mL de solución isotónica estéril en el matraz de 250 mL.
En un vaso de precipitados de 1000 mL poner a ebullición 250 mL de agua destilada y
disolver poco a poco 7.5 g de Agar, sin que se forme espuma. Dejar enfriar hasta 50ºC en
un baño a temperatura controlada y llevar el inoculo a esta misma temperatura. Mezclar
suavemente ambos en el vaso de precipitados, sin producir burbujas. Por otro lado
mantener agua destilada a 15ºC en un cristalizador que es colocado en baño de hielo
en una palangana. Llenar una pipeta Pasteur despuntada con la mezcla y verter gotas
en el recipiente con el agua fría, formando perlas de tamaño y forma regulares,
agitando el agua para evitar que las perlas se peguen. Eliminar las perlas que floten en la
superficie y recuperar las perlas por decantación o por filtración. Lavar dos o tres veces
con solución salina estéril y mantenerlas en esta solución. Esta cantidad de biomasa
inmovilizada es suficiente para los reactores empacado fluidizado y de mezcla completa
para esta práctica y la siguiente.
PRÁCTICA No. 4 DETERMINACION DE LA DISTRIBUCION DE TIEMPOS DE RESIDENCIA (DTR) EN REACTORES
LABORATORIO DE INGENIERIA BIOQUIMICA III
PROCEDIMIENTO
Montar previamente el equipo de acuerdo al siguiente sistema, cuidando de revisar
conexiones y el transporte de fluido.
Inyección
Celda
Bomba
Peristáltica
Biomasa
Inmovilizada
Cada equipo trabajará con un reactor continuo con el cual llevará acabo la fermentación,
utilizando un gasto de 6 y otros con 10 mL por minuto con agitación continua y verificando
este flujo con una probeta y cronometro.
Para los reactores se utilizará biomasa inmovilizada y otros con biomasa libre (sin inoculo).
Llenar el sistema con agua. Poner en funcionamiento el biorreactor cuidando que agua a la
salida este limpia para poder ajustar el espectrofotómetro a cero y a longitud de onda de
640nm. En la alimentación se inyectarán, de manera cuidadosa, 5 mL de la solución de
colorante azul de metileno, lo mas rápido posible sin causar turbulencias y sin introducir
burbujas de aire, sellar el sitio de la inyección. Se muestreará la salida a partir de este
momento, colocando a la salida una celda para espectrofotómetro. El tiempo de muestreo
será en lapsos de 1 minuto y hasta 2.5 horas o hasta que se forme la curva mostrada en la
figura 1.
Por otro lado se efectuará una curva patrón de azul de metileno efectuando las diluciones
necesarias de manera que el tubo siguiente sea una dilución a la mitad que la anterior,
determinando la concentración y la absorbancia de estas muestras a través del
espectrofotómetro. Esta determinación se hará por duplicado.
Tubo
1
2
3
*
*
*
11
Azul Metileno (µL)
1000
1000
1000
*
*
*
1000
H2Od
1000
1000
1000
*
*
*
1000
[mg/mL]
Eliminar
PRÁCTICA No. 4 DETERMINACION DE LA DISTRIBUCION DE TIEMPOS DE RESIDENCIA (DTR) EN REACTORES
LABORATORIO DE INGENIERIA BIOQUIMICA III
PREREPORTE
Cada equipo entregará al profesor los resultados de las absorbancias del Ensayo al finalizar
la práctica.
Efectuar la regresión lineal de la curva estándar para obtener los coeficientes para la
interpolación de la absorbancia obtenida con las muestran que salen del reactor.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
a) Reportar el volumen útil, el volumen nominal y el volumen muerto del sistema de
reactores montado
b) Calcular el flujo TRH experimental y el Teórico a través de la ecuación siguiente
TRH 
Volumen del Reactor(mL)
 h
Gasto de Alimentancion(mL/h)
c) Graficar la concentración vs tiempo para cada TRH (absorbancia y contenido de
colorante)
d) Calcular el área bajo la curva, tiempo promedio ( t ) y varianza
e) Las curvas Ct y C
f) Porciento de recuperación de colorante respecto a la concentración de colorante
administrado
g) En ANEXOS: Mostrar en forma adecuada y entendible todos los cálculos efectuados para
las secciones a) a la f).
CUESTIONARIO
1. ¿Qué es la distribución de tiempos de residencia?
2. ¿Qué técnicas se utilizan para determinarla?
3. ¿Qué información se obtiene de la distribución?
4. ¿Para que se utiliza la DTR?
5. ¿Qué es la tasa de dilución?
6. ¿Qué entendemos por flujo pistón y flujo mezclado?
7. ¿Qué significado tiene el tiempo promedio ( t )?
8. Que es el flujo no ideal
9. ¿Cómo es una curva de DTR para reactores que tienen zonas muertas?
10. ¿Cómo intervienen estos valores en ecuaciones de reacción cinética?
11. ¿Qué otras formas de evaluar la DTR experimentalmente existen?
BIBLIOGRAFÍA
1) Aiba S., Humphrey A. E. y Millis N. F. (1973) Biochemical Engineering, Second Edition.
Academic Press Inc. London.
2) Segel C. (1976) Enzyme Kinetics. Edition, John Wile & Sons. NY, USA.
3) Wang D. I., Cooney C. L., Demain A. L., Dunnill P., Humphrey A. E. and Lilly M. D. (1979)
Fermentation and Enzyme Technology. John Wiley & Sons. NY. USA.
4) Levenspiel O. (2009) Ingeniería de las Reacciones Químicas, tercera edición. Limusa.
México. Pg 93, 109 y capitulo 11.
PRÁCTICA No. 4 DETERMINACION DE LA DISTRIBUCION DE TIEMPOS DE RESIDENCIA (DTR) EN REACTORES