BIB2_U4_EA_JEMP

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Universidad Abierta y a Distancia 
de México 
División de Ciencias de la Salud, 
Biológicas y Ambientales 
Ingeniería en Biotecnología 
 
 
Ingeniería de biorreactores II 
 
 
Unidad 4 
Evidencia de Aprendizaje 
Escalamiento de Biorreactores 
 
Jessica Verónica Mendoza Prado 
ES202104539 
 Grupo BI-BIB2-2202-B1-001 
 
8 de septiembre de 2022 
Planteamiento del problema 
En cuba la crianza de cerdo es una actividad de relevancia tanto para la nutrición del 
país, como del desarrollo económico y laboral. Sin embargo, la crianza del animal se 
acompaña de la generación de residuos dañinos para el ambiente por la alta generación 
de estiércol por el animal. Hay emisión de olores, generación de gases de efecto 
invernadero, destrucción de la capa de ozono, propagación de microorganismos, 
contaminación de las aguas, contaminación de los suelos e incluso contaminación de los 
alimentos. Por ello, la planta de biogás representa una excelente opción para el manejo 
adecuado de estos desechos, donde no solo se vuelvan no dañinos para el ambiente, 
sino que sean beneficioso para las actividades humanas y para el cultivo de alimentos. 
Definición de la carga orgánica 
Estimación de la producción diaria del animal 
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑛𝑜 = (146 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑠)(42.32 𝑘𝑔 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎) = 6180 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 
𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 = 6180 𝑘𝑔 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 ∗ 12% 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑠𝑜 = 123.6 𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 𝑑í𝑎 
Cantidad de agua de mezcla 
Un digestor debe ser alimentado con una mezcla con 7 a 9% de sólidos 
La excreta porcina tiene una humedad de 87% 
%𝑆𝑇 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎 =
1(𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜)(%𝑆𝑇 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙)
1 𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜 + 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎
 
𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 = 
(1 𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑜)(%𝑆𝑇 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 − % 𝑆𝑇 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎)
%𝑆𝑇 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎
=
(1 𝑘𝑔)(.13% − .8%)
. 8%
=
. 87%
. 8%
= .625 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 
𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (. 625 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎)(123.6 𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙) = 77.25 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 
 
Determinación de la producción de biogás 
%Sólidos totales = 13% 
% Sólidos volátiles del residual =85% 
Tiempo de retención de 40 días a 45°C 
%𝑆𝑇 = (123.6 𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡í𝑒𝑟𝑐𝑜𝑙 𝑐𝑒𝑟𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑑í𝑎)(. 13) = 16.6 𝑘𝑔 𝑆𝑇 𝑑í𝑎 
%𝑆𝑉 = (16.6
𝑘𝑔
𝑑í𝑎
) (. 85) = 14.11 𝑘𝑔 𝑆𝑉 𝑑í𝑎 
 
1 kg SV de estiércol de cerdo produce 0.3234 m^3 de biogás y que este contiene 65% 
de CH4 (1M CH4= 1.8 kWh) 
𝑚3 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 = (14.11 𝑘𝑔 𝑆𝑉 𝑑í𝑎)( 0.3234 𝑚3𝑘𝑔 𝑆𝑉) = 4.5631 𝑚3𝑑í𝑎 
Determinación del tiempo de retención 
Se obtuvo de los parámetros a nivel laboratorio un tiempo de retención de 40 días (ya 
proporcionado en el problema). 
Determinación de las dimensiones del biodigestor 
𝑝𝑒𝑥𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 (
𝑘𝑔
𝑚3
) = 
𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙
𝑣 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑒𝑟𝑐𝑜𝑙
=
𝑘𝑔 𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙
𝑝𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙
=
123.6 𝑘𝑔
994 𝑘𝑔/𝑚^3
= 0.1243 𝑚3𝑒𝑠𝑡𝑖é𝑟𝑐𝑜𝑙 
𝑉 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝑉 𝑒𝑥𝑐𝑟𝑒𝑡𝑎 + 𝑉 𝑎𝑔𝑢𝑎)(𝑇𝑅𝐻) 
𝑉 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (0.1243 𝑚3 ∗ 123.6 𝑘𝑔)(40 𝑑í𝑎𝑠) = 35.34 𝑚3 
𝑉 𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
0.75
=
35.34
. 75
= 26.5 → 27 𝑚3 𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 
Dimensionado del tanque de compensación y del colector de gas 
𝑉𝑐ú𝑝𝑢𝑙𝑎 = 𝑉 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑉 𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 = 35.34 𝑚3 − 27 = 8.34 𝑚3 
Diagrama del biodigestor 
 
Aplicación de método de escalabilidad 
Objetivo del sistema a escalar 
El objetivo del escalamiento del presente biodigestor es la acepción de mayor cantidad 
de estiércol para la producción de biogás bajo el supuesto de que las cabezas de ganado 
de cerdo aumenten en un momento dado, considerando en el ejercicio que se duplican. 
El modelo de escalamiento a utilizar será el modelo empírico por los datos conocidos del 
sistema y por ser un modelo sencillo que nos permitirá rápidamente realizar el 
escalamiento del sistema. 
Características 
Las características del biorreactor a escalar son material de concreto, el volumen de 
operación que es de 35.34 m^3 en total y de 27 m^3 para el digestor y de 8.34 m^3 para 
la cúpula de gas. 
El volumen de operación diario del estiércol es de 123.6 kg por día, producido por 146 
cabezas de ganado de cerdo. 
Parámetros 
El digestor debe ser alimentado con un 8% de sólidos como máximo. La excreta porcina 
tiene una concentración de 15% de sólidos por lo que es necesario realizar el ajuste de 
concentración añadiendo cantidad de agua. 
Se determino que la cantidad de agua diaria a añadir es de 77.25 kg, formando una 
cantidad total de 200.85 kg por día. 
Propiedades 
• Se introducen 200.85 kg al día de excreta porcina y agua a una concentración del 
8% de sólidos. 
• El tiempo de retención dentro del biodigestor es de 40 días a una temperatura de 
45°C 
• Es un sistema continuo 
• Es un sistema anaerobio 
Secuencias 
• Las excretas de cerdo son colectadas diariamente en la granja productora de 
ganado porcino. 
• Las excretas son añadidas en el biodigestor. 
• Se mantienen por 40 días a 45°C en su interior. 
• El interior es un medio anaerobio que permite la generación de biogás. 
• El biogás es usado para procesos que requieran energía dentro de la granja. 
• Los sólidos son usados como fertilizante para cultivos. 
Procesos 
1. Dilución de las excretas para el correcto funcionamiento. 
2. Descomposición de las excretas por bacterias anaerobias. 
3. Generación de biogás. 
4. Generación de fertilizantes. 
Supuestos del proceso 
1. La concentración de las excretas siempre debe ser del 8% 
2. La temperatura se mantiene en 45°C 
3. 1 kg SV de estiércol de cerdo produce 0.3234 m^3 de biogás4 
4. El estiércol siempre tiene %Sólidos totales = 13%, % Sólidos volátiles del residual 
=85% 
5. La producción de estiércol diaria es 12% del peso del animal 
Conclusión 
La escalabilidad de biorreactores es una importante herramienta para el profesional 
encargado del diseño y propuesta del reactor, pues permite adecuadamente diseñar un 
biorreactor de caracteres-ticas similares a las obtenidas en los reactores de laboratorio 
y piloto, asegurando que el rendimiento sea el adecuado y esperado con la rentabilidad 
que la producción del producto final supone. El modelo empírico hace referencia a la 
adaptación del conocimiento adquirido sobre la marcha del reactor para poder escalarlo, 
obteniendo la información directamente de resultados ya conocidos de acción y 
adaptándola al modelo que debe ser construido. El modelo fenomenológico es un modelo 
meramente científico y calculado donde basándose en las ecuaciones propuestas de 
funcionamiento y balance de materia del reactor se hace el escalamiento del sistema, 
considerando siempre las entradas y salidas. Es un modelo complejo que requiere 
tiempo de análisis y el uso de software especializado. El modelo de similaridad se basa 
en características que comparten ambos reactores como pueden ser geométricas o de 
forma, mecánicas o de funcionamiento, térmicas o de temperatura en tiempos en 
intervalos similares entre ambos, y químicas, donde la proporción de sustrato y producto 
es similar entre ambos reactores. Es el modelo más sencillo de los analizados. 
Finalmente tenemos el análisis adimensional donde considerando las variables del 
biorreactor y cuidadosamente señalando las que intervienen en este se realiza una 
selección y se proponen variables adimensionales a través del Teorema de Pi-
Buckingham o del método de Raleigh. 
Diagrama de flujo 
 
Referencias 
UnADM (s.f.) Contenido nuclear unidad 4. UnADM. Recuperado de 
https://campus.unadmexico.mx/contenidos/DCSBA/BLOQUE1/BI/06/BIB2/unidad_04/d
escargables/BIB2_U4_Contenido.pdf 
Núñez Bosch, O.M. 2016. Diseño y construcción de un digestor para la generación de 
biogás y fertilizante orgánico. Revista Centro Azúcar, 43:35-42. Disponible en: 
http://scielo.sld.cu/pdf/caz/v43n2/caz04216.pd