Una menor conversión del reactor generalmente aumenta los requisitos de recirculación y purga porque más sustrato y sólidos sin convertir salen del fermentador y deben recuperarse, separarse o desecharse. En una planta piloto de fermentación de levadura acoplada a filtración de lodos, reducir la conversión de 0.25 a 0.10 deja más grano o sustrato sin reaccionar en el efluente del reactor. Debido a que el lodo también retiene líquido que contiene producto, la planta debe hacer circular y purgar más material para mantener la recuperación en estado estacionario y evitar que los sólidos y las impurezas se acumulen.
La conversión del reactor determina la composición, el caudal y la carga de recuperación de cada corriente posterior. Una menor conversión aumenta el sustrato sin reaccionar y a menudo eleva las demandas de recirculación, purga, bombeo y separación; una mayor conversión reduce la alimentación sin reaccionar pero puede aumentar los subproductos y la complejidad de la separación.
Cómo la conversión cambia el efluente del reactor
Una menor conversión deja más sustrato sin reaccionar
Para una velocidad de alimentación de sustrato (F_S), la conversión de paso único (X) da un caudal aproximado de sustrato reaccionado de:
[ F_{S,\text{reaccionado}} = X F_S ]
El sustrato sin reaccionar que sale del reactor es:
[ F_{S,\text{sin reaccionar}} = (1-X)F_S ]
Si la conversión disminuye de 0.25 a 0.10, la fracción reaccionada cae del 25% al 10%, mientras que la fracción sin reaccionar aumenta del 75% al 90%. Esto cambia materialmente la carga de sólidos que ingresa a la unidad de filtración.
La formación de producto también cambia
Para una reacción de fermentación simplificada, la formación de producto está vinculada al consumo de sustrato a través de un coeficiente de rendimiento:
[ F_P = Y_{P/S}F_{S,\text{reaccionado}} ]
donde (Y_{P/S}) es el rendimiento de producto por unidad de sustrato consumido.
Una menor conversión, por lo tanto, generalmente produce menos etanol u otro producto deseado por paso, asumiendo que la velocidad de alimentación y el rendimiento permanecen constantes. El efluente del reactor contiene una fracción de producto más pequeña y una fracción de sustrato sin reaccionar más grande.
La retención de líquido hace que el efecto sea mayor
Un filtro de lodos no separa sólidos y líquido perfectamente. Los sólidos húmedos retienen algo de líquido que contiene producto, por lo que aumentar el flujo de sólidos también puede aumentar la cantidad de líquido arrastrado hacia la corriente de sólidos.
Ese líquido retenido afecta tanto al balance de materia como a la recuperación aparente de productos como el etanol. La unidad de filtración debe, por lo tanto, analizarse utilizando flujos de masa totales así como flujos de componentes individuales.
Cómo responden las corrientes de recirculación
Más sólidos sin reaccionar requieren mayor recuperación
Cuando la conversión es menor, la unidad de filtración recibe más grano sin reaccionar, biomasa u otros sólidos. Una parte puede devolverse al reactor como recirculación, mientras que otra parte debe salir a través de una purga para evitar la acumulación indefinida.
La corriente de recirculación puede contener:
- Sustrato sin reaccionar
- Biomasa concentrada
- Líquido que contiene producto
- Agua
- Impurezas solubles
- Sólidos finos que pasan o son arrastrados con el lodo
La composición exacta depende del rendimiento del filtro, el lavado, la sedimentación y la división de recirculación seleccionada.
La recirculación mejora la utilización general del sustrato
La recirculación permite que el material sin reaccionar reciba tiempo de residencia adicional en el reactor. En consecuencia, la conversión de paso único puede ser baja mientras que la conversión general basada en alimentación fresca es sustancialmente mayor.
El bucle de recirculación no elimina el material sin convertir. Cambia dónde ocurre la conversión y aumenta el número de veces que el material pasa a través del reactor y el separador.
El flujo de recirculación está gobernado por el separador
Si el separador devuelve una fracción (r) de un componente recuperable al reactor, el flujo de recirculación depende tanto del material sin reaccionar que ingresa al separador como de la recuperación de separación:
[ F_{\text{recirculación}} = r F_{\text{recuperable}} ]
Una menor conversión del reactor aumenta (F_{\text{recuperable}}), por lo que la misma fracción de recirculación produce una corriente de recirculación más grande. Si la relación de recirculación se aumenta para compensar la menor conversión, la circulación aumenta aún más.
Esta es la razón por la cual el rendimiento del reactor y la capacidad de filtración no pueden diseñarse de forma independiente.
La purga evita la acumulación
Parte del material debe normalmente salir del bucle de recirculación a través de una purga. Sin una purga, los sólidos inertes, las impurezas no reactivas, la biomasa muerta y los subproductos no separados pueden acumularse hasta interrumpir la operación.
En estado estacionario, la purga debe eliminar el material que ingresa al bucle y que no se consume, se recupera como producto o se elimina de otro modo por el sistema de separación.
Para un componente acumulativo (i):
[ F_{i,\text{entrada}} = F_{i,\text{producto}} + F_{i,\text{purga}} ]
cuando no hay acumulación neta dentro del bucle en estado estacionario. Una menor conversión aumenta la entrada de sustrato sin reaccionar al bucle, lo que generalmente aumenta la purga requerida a menos que la recuperación o el consumo también mejoren.
Construyendo el balance de masa integrado
Comience con el límite general de la planta
El cálculo más fiable comienza con un balance alrededor de todo el proceso:
[ \text{Alimentación fresca} = \text{Producto} + \text{Purga} + \text{Otras pérdidas} ]
Las corrientes de recirculación son internas a este límite y por lo tanto se cancelan en el balance general. Aún así importan para el dimensionamiento del equipo, las composiciones internas, el tiempo de residencia y los costos operativos.
Luego balancee cada operación unitaria
El balance del reactor incluye consumo de sustrato, generación de biomasa, formación de producto y descarga de efluente:
[ \text{Alimentación} + \text{Recirculación} + \text{Generación}
\text{Efluente} + \text{Consumo} ]
El balance de filtración divide el efluente del reactor en filtrado, sólidos recuperados, recirculación y purga:
[ F_{\text{efluente del reactor}}
F_{\text{filtrado}} + F_{\text{recirculación}} + F_{\text{purga}} ]
Cada corriente debe resolverse en componentes en lugar de tratarse solo como un flujo total. Como mínimo, el modelo de la planta piloto debe rastrear sustrato, biomasa o sólidos, agua, producto e impurezas relevantes.
Considere el líquido retenido en los sólidos húmedos
Si la corriente de sólidos retiene una fracción de masa líquida (w_L), el líquido arrastrado con los sólidos puede representarse como:
[ F_{L,\text{retenido}}
w_L F_{\text{sólidos húmedos}} ]
Ese líquido retenido puede contener etanol, sustrato disuelto y agua. Ignorarlo puede producir un balance de masa aparentemente cerrado mientras se sobreestima la recuperación de producto y se subestima el flujo de recirculación.
Resuelva las referencias circulares simultáneamente
La recirculación crea una dependencia circular:
- La conversión del reactor determina la composición del efluente.
- La composición del efluente determina las cargas del separador.
- El rendimiento del separador determina la composición de recirculación y purga.
- La composición de recirculación cambia la entrada del reactor y por lo tanto el balance del reactor.
Estas ecuaciones deben resolverse juntas, ya sea algebraicamente o mediante una hoja de cálculo iterativa, un simulador de procesos o un modelo numérico. Los cálculos secuenciales basados solo en alimentación fresca pueden producir caudales incorrectos en estado estacionario.
Efectos en el equipo de fermentación y separación
Una menor conversión aumenta la carga de filtración
Más sólidos sin reaccionar aumentan el flujo másico del lodo y pueden aumentar el área de filtro, el espesor de la torta, la demanda de lavado y la caída de presión. Si el filtro está subdimensionado, el arrastre de sólidos y las pérdidas de producto pueden aumentar.
La unidad de filtración debe, por lo tanto, dimensionarse utilizando el caso de recirculación esperado, no solo la velocidad nominal de alimentación fresca.
Las bombas y tuberías ven mayor circulación
La recirculación aumenta el flujo interno incluso cuando el rendimiento de alimentación fresca permanece sin cambios. Una menor conversión puede, por lo tanto, aumentar la capacidad de bombeo, la velocidad en tuberías, el rango de las válvulas de control y los requisitos de caída de presión.
La bomba de recirculación también puede manejar un lodo más concentrado o abrasivo que la bomba de alimentación fresca.
El volumen del reactor puede necesitar aumentar
Una menor conversión puede abordarse aumentando el tiempo de residencia, elevando la concentración de biomasa, mejorando la mezcla o recirculando material sin reaccionar. Cada opción cambia el volumen requerido del reactor y las condiciones operativas.
La recirculación de células puede aumentar la concentración de biomasa y soportar un mayor rendimiento, pero también añade un bucle de separación de sólidos cuyos requisitos de capacidad y esterilidad deben considerarse.
La recuperación de producto puede disminuir
Debido a que los sólidos húmedos retienen líquido, una mayor circulación de sólidos puede arrastrar más producto lejos del filtrado o la corriente de producto deseada. Un proceso puede, por lo tanto, mostrar una recuperación de sustrato aceptable mientras pierde etanol u otro producto soluble en la purga o en la torta recirculada.
La recuperación de producto debe calcularse independientemente de la conversión de sustrato.
Entendiendo las compensaciones
Una menor conversión puede proteger la selectividad
Operar a una menor conversión puede reducir la severidad de las reacciones secundarias o preservar la selectividad deseada del producto. En fermentación, las condiciones operativas también pueden seleccionarse para proteger el rendimiento celular en lugar de maximizar el consumo de sustrato en un solo paso.
La carga de recirculación resultante es el precio pagado por esa ventaja operativa.
Una mayor conversión reduce la demanda de recirculación
Una mayor conversión generalmente reduce el sustrato y los sólidos sin reaccionar que salen del reactor. Esto reduce el flujo de recirculación y purga, la circulación interna y los costos asociados de bombeo o separación.
Sin embargo, una mayor conversión puede producir más impurezas o subproductos en sistemas donde la selectividad disminuye a medida que cae la concentración de reactante. La separación posterior puede entonces volverse más difícil y costosa.
La recirculación no es recuperación gratuita
La recirculación reduce la pérdida de materia prima, pero requiere equipo adicional, energía, control y mantenimiento. También puede aumentar el tiempo de residencia y exponer el producto o la biomasa a procesamiento repetido.
La conversión económicamente preferida es usualmente el punto que minimiza los costos totales de reactor, separación, recirculación, servicios públicos, tratamiento de residuos y ambientales, en lugar del punto con la mayor conversión de paso único.
Una purga excesiva desperdicia material valioso
Una purga grande controla la acumulación de impurezas y sólidos pero puede eliminar sustrato sin reaccionar, líquido que contiene producto y biomasa. Una purga muy pequeña mejora la recuperación pero puede causar acumulación de sólidos inertes o compuestos inhibitorios.
La velocidad de purga debe seleccionarse a partir de balances de componentes y concentraciones de impurezas permitidas, no solo de consideraciones de flujo total.
Errores comunes en el modelado
Confundir conversión de paso único y conversión general
La conversión de paso único describe lo que reacciona durante un paso por el reactor. La conversión general describe el destino de la alimentación fresca después de incluir todas las corrientes de recirculación y purga.
Reportar una como la otra puede hacer que un reactor de baja conversión parezca ineficiente o que un bucle de recirculación parezca más efectivo de lo que realmente es.
Balancear solo la masa total
Un balance de masa total puede cerrarse incluso cuando los balances de sustrato, producto o biomasa son incorrectos. Los balances de componentes son necesarios para identificar pérdidas de producto, acumulación de sólidos sin reaccionar y supuestos incorrectos del separador.
Ignorar los límites de recuperación del separador
Asumir que todos los sólidos sin reaccionar o producto disuelto se recuperan perfectamente subestima las pérdidas de purga y sobreestima la conversión general. El rendimiento de filtración a escala piloto debe incluir valores realistas de recuperación, retención de humedad y arrastre.
Tratar la recirculación como alimentación fresca
La recirculación no es material nuevo que ingresa al límite general del proceso. Contarla como alimentación fresca infla el rendimiento y puede distorsionar los cálculos de rendimiento, conversión y dimensionamiento de equipos.
Tomando la decisión correcta para su objetivo
El objetivo de conversión correcto depende de lo que la planta piloto pretende demostrar u optimizar.
- Si su enfoque principal es la utilización de sustrato: Use una menor conversión con un bucle de recirculación cuidadosamente diseñado, luego evalúe la conversión general de alimentación fresca y el sustrato perdido en la purga.
- Si su enfoque principal es la recuperación de producto: Rastree el líquido retenido en la torta de filtro y minimice las pérdidas de purga que contienen producto, incluso si esto requiere un mejor desaguado o lavado.
- Si su enfoque principal es el dimensionamiento de equipos: Dimensione el reactor, filtro, bombas y tuberías para el mayor flujo de recirculación interna esperado, no meramente la velocidad de alimentación fresca.
- Si su enfoque principal es la economía del proceso: Compare el costo de conversión adicional del reactor con los costos de recirculación, separación, bombeo, purga y tratamiento de residuos.
- Si su enfoque principal es la productividad de biomasa: Considere la recirculación de células para aumentar la concentración de biomasa en el reactor, verificando que el separador pueda mantener el rendimiento requerido de retención celular.
Un balance de componentes riguroso muestra si un cambio de conversión realmente mejora el proceso o meramente mueve material y costo del reactor hacia el sistema de recirculación y separación.
Tabla resumen:
| Factor clave | Impacto de menor conversión | Implicación de diseño u operación |
|---|---|---|
| Sustrato sin reaccionar | Más sustrato sale del reactor sin convertir | Aumentar la capacidad de recuperación, recirculación o purga |
| Flujo de recirculación | Más sólidos y líquido recuperables ingresan al bucle de recirculación | Dimensionar bombas, tuberías y controles para mayor circulación interna |
| Requisito de purga | Más impurezas, sólidos inertes y biomasa pueden acumularse | Establecer velocidades de purga usando balances de componentes y límites de impurezas |
| Carga de filtración | Mayor carga de sólidos, espesor de torta y retención de líquido | Evaluar área de filtro, lavado, desaguado y arrastre de producto |
| Recuperación de producto | Más líquido que contiene producto puede permanecer en sólidos húmedos | Rastrear pérdidas de producto soluble independientemente de la conversión de sustrato |
| Conversión general | La recirculación puede mejorar la utilización de alimentación fresca a pesar de la baja conversión de paso único | Distinguir conversión de paso único de conversión general |
| Dimensionamiento de equipos | Los flujos internos pueden exceder las velocidades de alimentación fresca | Dimensionar reactores, filtros, bombas y tuberías para el caso máximo de recirculación |
| Economía del proceso | La recirculación reduce la pérdida de materia prima pero aumenta los costos de energía y tratamiento de residuos | Comparar conversión, separación, recirculación, purga y costos de servicios públicos juntos |
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