Para ilustrar el control térmico de un reactor se plantea el siguiente caso práctico:
Caso práctico
Se propone el control térmico de un reactor continuo de 3 m3 para fermentación alcohólica con la levadura Sacharomyces cerevisae, que se alimenta con glucosa a una concentración de 50 g/l, para obtener etanol. La reacción del proceso es la siguiente:
C6H12O6 +0,46O2 + 0,23 NH3 → 1,34 CH1.703O0.459N0.171 + 1,92CO2 +1,10 H2O + 1,36 C2H6O
Considérese un sistema de control térmico basado en un serpentín con tubería a media caña, (partida por el diámetro de 10 cm). No hay separación entre tuberías consecutivas.
Se supone que el microorganismo sigue una cinética de Monod con µmax= 0,37 h-1 y Ks= 1,35 g/l, un rendimiento en masa biomasa/sustrato de 0,454, y un rendimiento en masa de biomasa/producto 3,41. Si consideramos una limitación de reducción de la tasa de crecimiento celular a un 75% de la máxima, en las tablas se muestran la concentración de células, sustrato y producto en el equilibrio, junto los flujos de alimentación y productividad obtenidas.:
Del análisis cinético y balance de masas
| Parámetro |
Valor |
| Flujo de alimentación (F) |
832,5 l/h |
| Concentración de sustrato en el equilibrio (S) |
4,10 g/l |
| Concentración de células en el equilibrio (X) |
8,05 g/l |
| Concentración de producto en el equilibrio (P) |
16,04 g/l |
| Productividad (F x P) |
13353,8 g/h |
Del análisis mecánico y agitación
| Parámetro |
Valor |
| Volumen (V) |
3000 l |
| Diámetro del tanque (Dt) |
1,4 m |
| Altura del tanque (H) |
2 m |
| Material del tanque |
Acero |
| Espesor de la virola |
3,5 mm |
| Anchura de los bafflers (B) |
0,12 m |
| Separación de los bafflers de la pared (E) |
0,023 m |
| Turbina |
Rouston |
| Distancia de la turbina al fondo (Le) |
0,93 m |
| Diámetro del disco (Da) |
0,47 m |
| Longitud de las paletas de la turbina (L) |
0,23 m |
| Alto de las paletas de la turbina (W) |
0,28 m |
El caldo de cultivo es melaza de caña de azúcar y se utiliza como caloportador agua. La temperatura óptima para la reacción metabólica es 35ºC, considerando una agitación con rodete Rouston de n = 100 rev/min.
Datos previos que hay que conocer
|
Caldo de cultivo
(Melaza) |
Caloportador (agua) |
| Cp: calor específico a presión constante (kJ kg-1 ºC-1) |
4,4 |
4,18 |
| k : conductividad térmica del fluido (kJ s-1 m-1 ºC-1) |
0,00006 |
0,000596 |
| ρ : densidad del fluido (kg m-3) |
810 |
1000 |
| μ: viscosidad dinámica (kg s-1 m-1) |
0,001 |
0,00083 |
Resolución:
