planta piloto para el desarrollo de bioproductos

PLANTA PILOTO PARA EL DESARROLLO DE BIOPRODUCTOS
Autores: MSc. Ing. María Caridad Julián Ricardo(p)(1), Dr. Ing. Luis B. Ramos
Sánchez1, Ing. Yadira Suárez Rodríguez1, Ing. Angel Osvaldo Gómez Atanay2
(1) Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Camagüey, Cuba.
(2) SOMEC Camagüey, Cuba.
SUMMARY
The scale up of chemical and biological processes based on Mathematical Modeling
and Simulation constitutes an important contribution at present time to the development
of the Engineering of Processes. The group of investigations of Biotechnology at the
University of Camagüey working in this direction has built a Pilot Plant with the objective
of developing the technology of solid-state fermentation for protein enrichment of
Sugarcane byproducts. The installation includes two production lines in parallel, an
already built that has already passed the setting tests satisfactorily which is
characterized to have a semicontinuos bioreactor. The capacity of this line is 80 kg/day
of humid product. The second line is still in the construction phase. It will have a
continuous rotating drum bioreactor with a flow of approximately 135 kg/day. The pilot
plant also has a group of semicontinuos bioreactors of 10 L of volume that allow to carry
out scale-up and scale-down studies. The evaluation of the installed variants allows to
carryout the selection of the contact system and the validation of the outlined
mathematical models. This will contribute to solve the difficulties presented in the
traditional facilities.
RESUMEN
El escalado de procesos químicos y biológicos basado en la Modelación Matemática y
la Simulación constituye en la actualidad un aporte importante al desarrollo de la
Ingeniería de Procesos. Trabajando en esta dirección el grupo de investigaciones de
Biotecnología de la Facultad de Química de la Universidad de Camagüey ha construido
una Planta Piloto con el objetivo de desarrollar la tecnología de Fermentación en
Estado Sólido para el enriquecimiento proteico de residuos de la Industria Azucarera a
partir de la modelación matemática y la simulación.
La instalación incluye dos líneas de producción en paralelo, una ya construida y que
pasó satisfactoriamente las pruebas de puesta en marcha, que se caracteriza por
contar con un reactor semicontinuo donde se pueden producir hasta 80 kg/día de
producto húmedo y otra en fase de construcción que se destaca por su reactor de
funcionamiento continuo con un flujo de aproximadamente 135 kg/día. La planta cuenta
además con un conjunto de reactores semicontinuos de 10 L de volumen que permiten
realizar estudios de scale-up y scale-down, por la flexibilidad que ofrece su construcción
de forma modular.
La evaluación de las variantes instaladas permite realizar la selección del sistema de
contacto óptimo y la validación de los modelos matemáticos planteados y de la
440
2
simulación realizada, lo que solucionará en gran medida las dificultades presentadas en
las instalaciones tradicionales.
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de bioproductos para la alimentación animal a partir de los residuos de la
industria azucarera, que como el bagazo, la cachaza y la miel son ricos en azucares,
minerales y fibra es de gran interés, sobretodo en épocas de sequía cuando la
ausencia de pastos se generaliza.
De los bioproductos obtenidos para la alimentación animal se destacan la Sacharina y
el Bagarip por su calidad nutricional, pero por las dificultades presentadas en la
producción de esos alimentos, el Grupo de Biotecnología de la Universidad de
Camagüey junto con otras instituciones del país, lleva a cabo el proyecto
“Enriquecimiento proteico del bagazo de la caña de azúcar” desarrollándose la
tecnología de un nuevo bioproducto denominado Bagames y de diferentes variantes,
basada en la Modelación Matemática y la Simulación como método de diseño,
El objetivo de este trabajo es describir la planta piloto para el desarrollo de bioproductos
por fermentación sólida a través de la modelación matemática y la simulación.
2. LA PLANTA PILOTO
2.1
El cambio de escala
El escalado de las tecnologías se ha realizado tradicionalmente siguiendo métodos
basados en la Teoría de la Semejanza donde es indispensable tener en cuenta
diferentes criterios de similitud que parten de la semejanza geométrica y
fenomenológica, por tanto los resultados de la investigación a nivel de laboratorio
deben transitar por varias escalas productivas para llegar a la escala comercial con un
mínimo de riesgos técnicos, económicos y medioambientales.
Sin embargo un nuevo paradigma en la Ingeniería de Procesos surge a partir de los
avances en los métodos numéricos y de cómputo, [Edgar, 2000], donde la Simulación
se introduce progresivamente en las etapas de investigación, desarrollo y
comercialización. La aplicación de este paradigma puede representar ventajas en
cuanto a la disminución del tiempo para la comercialización de un producto y de los
costos totales, ya que el número de cambios de escala para llegar a la producción
industrial ha disminuido notablemente según sea la operación o proceso que se
estudie, debido a que el empleo de la Modelación Matemática y la Simulación permiten
relaciones de escala que superan el valor de mil.
2.2 Clasificación de la planta
Las Plantas Pilotos según [Kenat, 1999], se clasifican atendiendo al número de
productos o procesos que se pueden realizar como: Multipropósitos o Específicas. La
Planta Piloto que se describe en esta trabajo se encuentra entre las primeras ya que
puede ser utilizada tanto para la elaboración de bioproductos similares como para el
desarrollo de otros procesos de Fermentación Sólida, teniendo en cuenta que es una
441
3
instalación flexible, construida de forma modular, que permite trabajar con una línea o 2
líneas en paralelo, con reactores de diferentes forma y tamaño, en sistemas continuos
y semicontinuos, así como variar los parámetros de operación.
3. METODOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE BIOPRODUCTOS
El desarrollo de bioproductos se realiza en la planta piloto según la metodología
propuesta por [Ramos, 2000] y que consta de los pasos siguientes:
1. Estudios básicos de ingeniería:
a) Optimización del medio de cultivo.
b) Cinética.
c) Transferencia de calor.
d) Fluidodinámica del lecho.
2. Evaluación de sistemas de contacto.
a) Lecho fijo.
b) Tanque agitado discontinuo.
c) Tanque agitado continuo.
d) Otros.
3. Dimensionamiento de la planta.
4. Análisis de prefactibilidad financiera de la planta.
5. Evaluación bromatológica y nutricional del alimento.
A continuación se presentan los resultados obtenidos en la planta piloto en relación con
los 2 primeros pasos de la metodología.
3.1 Estudios básicos de ingeniería
3.1.1 Optimización del medio de cultivo
La composición óptima en que deben mezclarse las materias primas se establece por
un método desarrollado para ello, [Ramos, 2000], donde se tienen en cuenta la
fisiología de los microorganismos y los animales (consumidores del producto final), la
economía del proceso, los métodos estadísticos experimentales y la optimización por
programación lineal. En la Tabla 1 se presenta un ejemplo de la composición optima de
las materias primas para la producción de Bagames sobre base húmeda.
3.1.2. Cinética
Para los estudios cinéticos se cuenta con un reactor isotérmico de 25 ml. Mediante
cromatografía se determinan el consumo de O2 y la producción de CO2, estos datos
experimentales permiten ajustar el modelo logístico con excelentes resultados.
442
4
MATERIAS PRIMAS
% B.H.
1
Bagazo Tamizado
5,00
2
Miel final
8,28
3
Cachaza
20,47
4
NH4SO4
0,88
5
Fosfato de calcio
0,17
6
Inóculo de Torula
9,39
7
Agua
55,81
TOTAL
100.0
Tabla 1. Ejemplo de composición optima del medio
de cultivo.
3.1.3 Estudio de la transferencia de calor
3.1.3.1
Determinación de las propiedades termofísicas y de transporte
Con el objetivo de realizar el escalado del proceso mediante el uso de modelos
fundamentales de balances de masa y de energía se necesita conocer las propiedades
termofísicas y de transporte, entre otras, que caracterizan estos sistemas como:
conductividad térmica, densidad, capacidad calorífica y porosidad del lecho.
Para determinar estas propiedades se construyó una instalación experimental diseñada
especialmente, [Ramos, 2000] tal como se muestra en la Figura 1. El reactor
experimental construido tiene un volumen de 600 ml.
Figura 1. Foto con la instalación experimental
Se emplea como modelo para calcular las propiedades un balance de energía no
estacionario, con convección forzada y considerando los términos de dispersión en la
dirección radial y axial, dada la geometría del equipo (H/D=6), se realiza la simulación
443
5
en MatLab y al ajustar los perfiles dinámicos de temperatura se determinan las
mencionadas propiedades.
3.1.3.2
Transferencia de calor a escala piloto
Se han diseñado y construido cuatro reactores, tres con una capacidad de 10 L cada
uno y uno de 100 L; los cuales permiten hacer el cálculo para la escala comercial, una
vez que se valide en ellos los modelos que se han venido elaborando en etapas
anteriores, [Bisio, 1985].
En la Figura 2 aparece una foto con la instalación experimental de los reactores de 10 L
y se explican las partes de esta instalación. Las tomas axiales permiten medir caídas de
presión, temperaturas y tomar muestras de gas para su análisis. Los fermentadores
tienen una altura de 110 cm y un diámetro de 10 cm. El material usado para su
construcción fue acero inoxidable.
Figura 2. Biorreactores de lecho fijo de 10 L de volumen total.
1- Reductor de presión de aire. 2- Válvula de aguja. 3- Humidificador de aire.
4- Biorreactores. 5- Manómetro diferencial. 6- Flujómetro.
A manera de ilustración, en la Figura 3 aparece la dinámica de temperaturas obtenida
en una de las experiencias realizadas en esta instalación.
Los perfiles dinámicos de temperatura, medidos experimentalmente, han permitido
comprobar que un modelo pseudo homogéneo [Ramos, 2000] describe perfectamente
el comportamiento del sistema. En este tipo de biorreactor la componente radial de
conducción se hace despreciable.
444
6
50
TEMPERATURA (°c)
45
T-1
40
T-2
T-3
T-4
35
T-5
30
25
0
10
20
30
40
TIEMPO (h)
Figura 3. Dinámica de las temperaturas a diferentes alturas
en un biorreactoeor de lecho fijo de 10 L volumen total.
Actualmente en la planta piloto se realiza la actividad experimental en el biorreactor de
lecho fijo de 100 L de volumen que se observa en la Figura 4.
Figura 4. Instalación experimental con biorreactor
semicontinuo de lecho fijo de 100 L de volumen.
En las Figuras 5 y 6 aparece como ejemplo la dinámica de temperaturas axial y radial,
obtenida en una de las experiencias realizadas en esta instalación.
3.1.4 Fluidodinámica del lecho a escala piloto
Estos estudios permiten seguir completando el modelo del proceso en desarrollo. En
este caso se trata de la ecuación para predecir la caída de presión que tan importante
es en el diseño. En la figura 8 se muestra una dinámica de la caída de presión total en
el reactor de 10 L, obsérvese que es pequeña y favorable para las instalaciones
industriales, la dinámica de ésta tiene una forma típica con un máximo entre las 18 y 20
horas de fermentación, se asocia al crecimiento de los microorganismos y también a la
posible dinámica que pueda tener la estructura mecánica del lecho.
445
7
Distribución axial de Temperatura
Altura (m)
0,1
50,0
Temperatura (ºC)
0,4
45,0
0,5
0,6
40,0
0,7
35,0
30,0
25,0
0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo (h)
Figura 5. Dinámica de las temperaturas a diferentes alturas.
Distribución radial de temperatura
(z=0,40 m)
Distancia
del centro (cm )
17,5
Temperatura (ºC)
50
16,5
45
14,5
40
12,5
35
30
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo (h)
Figura 6. Dinámica de la temperatura radial para una altura de 0,4 m.
La instalación experimental permitió ajustar una ecuación para calcular la caída de
presión en un lecho fijo a diferentes alturas del lecho y velocidades superficiales.
45.0
P [mm H2O]
40.0
35.0
30.0
25.0
20.0
15.0
0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo [h]
Figura 7. Caída de presión medida en el fondo respecto a la presión atmosférica.
446
8
3.2 Evaluación de sistemas de contacto
La simulación de procesos fue una de las técnicas empleadas, dada la importancia que
tiene en el desarrollo de nuevos productos. Se empleó el simulador Model Maker
(1995), de Cherwell Scientific Publishing Ltd, con datos obtenidos experimentalmente.
Teniendo en cuenta los sistemas de contacto más empleados en la fermentación sólida
se han estudiado los reactores discontinuo de lecho fijo y tanque agitado, pero por las
ventajas que tienen los sistemas continuos se han simulado también el reactor de
tambor rotatorio con flujo real mixto y el de flujo en pistón con reciclaje.
El análisis de la variante de sistema de contacto tipo lecho fijo ha dado resultados muy
atractivos en cuanto a calidad nutricional del producto, validándose la simulación
realizada, pero como los gradientes de temperatura son significativos, letales para los
microorganismos de interés en la producción de Bagames y sus variantes, se justifica
continuar con el estudio de otros sistemas que permitan determinar la variante de
operación óptima.
BIBLIOGRAFIA
− BISIO, A. Scale up of Chemical Processes. John Wiley and Sons, Inc, EE.UU. 1985.
− DURAND, A., Renoud, J., Maratray, S., INRA-Dijon Reactors for SSF: Designs and
Applications of Scientific & Industrial Research, 55, 1996, pp 317-332.
− Edgar, T. Process Information: Achieving a Unified View, Chemical Engineering
Progress, 2000, pp 51 – 57.
− Kenat, T. Use your pilot plant as a process design tool, Chemical Engineering
Progress, 1999. 5 p.
− Mitchell, D. A., Krieger, N., Stuart, D. M., Pandey, A. New developments in solidstate fermentation II. Rational approaches to the design, operation and scale-up of
bioreactors. Process Biochemistry, 35, 2000, 1211–1225.
− RAMOS, L. Aplicación de la Modelación Matemática para el Desarrollo de la
Tecnología de Fermentación del Bagarip. Tesis presentada en la opción al grado
científico de doctor en ciencias técnicas. 2000.
CORRESPONDENCIA
MSc. María Caridad Julián Ricardo
Departamento de Ingeniería Química
Universidad de Camagüey
Circunvalación Norte, km 5 ½
Camagüey 74650. CUBA.
Tel. +53-32-261192, Fax. +53-32-261126
[email protected]
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