Tipo de reactor

■ Reactor batch: Los reactores discontinuos se utilizan para la mayoría de las reacciones llevadas a cabo en un laboratorio o a baja escala. Los reactivos se mezclan, a menudo se calientan para que la reacción tenga lugar y luego se enfrían.

Los productos se vierten y, en caso necesario, se purifican. Este procedimiento también se lleva a cabo en la industria, la diferencia clave radica en el tamaño del reactor y las cantidades de reactivos involucradas. La principal desventaja es el elevado costo en su funcionamiento y mano de obra debido al tiempo muerto que involucra, dado que se debe cargar con reactivos, descargar los productos y limpiarlo. Además, no siempre es posible implementar un sistema de control adecuado.

■ Reactor tubular: Los reactores tubulares, si bien poseen facilidad de control y son de construcción mecánica sencilla, los costos de operación son elevados, incluyendo limpieza y mantenimiento. Una de las principales desventajas de estos equipos es la dificultad para controlar la temperatura en su interior, pudiendo generarse en el caso de reacciones exotérmicas puntos calientes dentro del equipo.

■ Reactor tanque agitado continuo: Los reactores de este tipo basan su diseño en la hipótesis de mezclado perfecto, aunque podrían existir zonas estancas o canalizaciones si no hubiese buena agitación. Estos equipos operan a la misma temperatura en todos sus puntos, lo que permite un control simple de las condiciones de operación. Dependiendo del material de construcción y las partes que componen el equipo, el costo de construcción puede ser elevado. Los tanques pueden tener techos fijos o flotantes.

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104 En primer lugar, debido las importantes desventajas que presenta la operación en batch para producir a nivel industrial, se decide la utilización de un reactor continuo. Este tipo de operación facilita la producción de grandes cantidades de producto y evita gastos elevados de operación y mano de obra al eliminar los tiempos muertos de carga, descarga y limpieza. Por lo tanto, presenta mayor productividad.

Particularmente, se define la utilización de un reactor tanque agitado continuo (TAC) en vez de un reactor tubular (TUB), de acuerdo a las siguientes cuestiones:

- El utilizar un reactor TUB tiene como principal desventaja la dificultad en su limpieza, ya que el caldo de fermentación es una suspensión que podría causar obstrucciones en los tubos del reactor.

- Para llevar a cabo una reacción de fermentación, es necesario mantener condiciones de operación homogéneas en el sistema para evitar la inhibición de la levadura por la existencia de zonas con mayores cantidades de sustrato o productos o de mayor temperatura y pH. La temperatura es una variable fundamental, dado que se trata de una reacción exotérmica, y en el caso de los reactores tubulares la refrigeración es compleja. Por otro lado, la levadura tiende a aglomerarse en forma de flóculos. Así, es necesario incorporar un sistema de agitación al reactor de modo de mantener la homogeneidad en el reactor y evitar la sedimentación de la misma.

- Considerando que la agitación del sistema es óptima, se podría despreciar la aparición de zonas estancas y otras desviaciones de la idealidad del flujo. Esto permite un mejor control de las variables a medir durante la operación, ya que no existirían perfiles de concentración y temperatura en el interior del mismo; y garantiza la mejor aproximación posible a las consideraciones realizadas en el desarrollo del modelo, en el cual se suponen condiciones ideales.

Las condiciones de fermentación óptimas determinadas en el Capítulo 2 son ilustradas en la tabla 4.1.

Parámetro Condición de operación

pH 5

Temperatura 30-35 ºC

Condición de suministro de O2 Anaeróbica

Tal como se explicó previamente, en la fermentación anaeróbica, los microorganismos crecen y producen etanol en la ausencia total o parcial de oxígeno (condiciones microaérobicas). En cambio, la fermentación aeróbica se lleva a cabo en presencia de oxígeno, que los organismos consumen para crecer y/o metabolizar el producto deseado.

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105 Sin embargo, si bien la fermentación se llevará a cabo en forma anaeróbica, la principal desventaja es que el cultivo de levadura durante un largo tiempo bajo condiciones anaeróbicas disminuye su capacidad de producir etanol, por lo tanto la propagación de la levadura debe realizarse en condiciones aeróbicas. Así, se definen condiciones aeróbicas en el proceso de pre-tratamiento de la levadura, señalado en el capítulo anterior.

En el capítulo 2, se realizó una estimación del volumen del reactor, pero a partir del volumen de producción. En este capítulo se definió un caudal de diseño de 312.500 m³/año, es decir de 35,6735 m³/h.

Con estos nuevos valores, el volumen total necesario para obtener la producción deseada empleando un único reactor TAC es de 25.378,5 m³ con un caudal de 352,48 m³/h y considerando un tiempo de residencia de 72 hs. Cabe aclarar que para este cálculo, se plantearon balances de masa homogéneos para un reactor TAC²⁷.

Dadas las dimensiones requeridas para un único reactor y buscando optimizar el proceso, se plantea el empleo de un sistema de reactores. Para esto, se analiza la relación entre el tiempo de residencia en el reactor y el volumen de reactor necesario, para diferentes números de reactores y en disposición serie o paralelo.

Se plantearon los balances de masa correspondientes en Mathcad y se ajustó por prueba y error el tiempo de residencia y el caudal ingresante para obtener la producción requerida. Los tiempos de residencia que se consideraron en el análisis están en el rango de 48-72 hs, ya que para estos valores las concentraciones de productos y reactivos tienden a estabilizarse, tal como se observó en el Capítulo 2.

Los resultados obtenidos pueden observarse en las figuras 4.1-4.4.

27 Los cálculos realizados se encuentran en el Anexo I.

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107 Para el diseño se plantearon inicialmente 3 alternativas: 1 sólo reactor, más de uno en serie, o más de uno en paralelo. La mejora que plantea la distribución en serie se observa en las gráficas 4.1-4.4. En el caso de reactores en paralelo, los resultados a obtener son exactamente iguales a los que se obtienen para un único reactor de un volumen y caudal de entrada igual al múltiplo de la cantidad de reactores, sin mejorar el rendimiento. Esto se debe a que al utilizar una distribución en paralelo, lo único que varía es que se divide el volumen total necesario en un número de reactores determinado y se ramifica la corriente de entrada a los reactores.

En el caso de querer llevar a cabo la operación con un sólo reactor el volumen requerido es sumamente grande para cualquier tiempo de residencia, lo mismo ocurre con el caudal y además el rendimiento en el consumo de almidón es el menor. Analizando las gráficas presentadas es posible observar la conveniencia de la operación de reactores TAC en serie. Esto coincide con la práctica recomendada de emplear arreglo en serie para reacciones autocatalíticas.

A medida que se agregan reactores al arreglo en serie es posible notar un decrecimiento en los caudales de entrada y en el volumen de cada reactor. Sin embargo, se observa claramente que entre 4 y 5 reactores en serie, la diferencia es despreciable, por lo se decide utilizar 4 reactores, ya que los costos de construcción y de operación de estos equipos son más que considerables.

Una vez seleccionado el arreglo de 4 TACs en serie se evaluaron las condiciones de operación óptimas de caudal y volumen. Una relativa disminución de tiempo de residencia respecto a las 72 hs, fijadas en el Capítulo 2, reduce significativamente los volúmenes de reactores requeridos. Si bien esto se ve contrarrestado por un aumento en el caudal y una disminución en el rendimiento de almidón, es posible observar en las gráficas que ambas variables presentan valores aceptables por encima de las 58 hs (rendimiento de almidón superior al 80%).

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108 Finalmente, se seleccionó el arreglo de 4 reactores TAC en serie con un volumen de reacción de 4899,3 m³ y un tiempo de residencia de 60 horas, siendo el caudal necesario de entrada 326,62 m³/h.