MODELADO Y SIMULACION DE UN FERMENTADOR CONTINUO PARA LA PRODUCCION DE ALCOHOL ETILICO

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA [pic 1]

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL YARACUY

VICERRECTORADO ACADÉMICO

MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN FERMENTADOR CONTINUO PARA LA PRODUCCIÓN DE ALCOHOL ETÍLICO.

Autor: Juan Carlos León Martínez

Programa Nacional de Formación en Instrumentación y Control

jleon@uney.edu.ve

                                                                                                  Fecha: Enero, 2019

Resumen

Conocer el comportamiento de un proceso y su posible reproducción a través de un modelo matemático es la base fundamental en el desarrollo de sistemas de control capaces de optimizar los procesos estudiados. Para el modelado de los mismos se pueden aplicar diferentes métodos, cada uno con sus ventajas y limitaciones. Para el caso particular de este trabajo se estudió un fermentador continuo para la producción de etanol utilizando un método semi-físico soportado en una base fenomenológica, tal como lo describe Ortega, Perez, & Lopez (2016). Este método permitió obtener las ecuaciones representativas del proceso, basadas en las leyes de conservación de masa, de energía y de momento. Por otro lado, se establecieron las condiciones de operación del proceso de acuerdo a referencias bibliográficas y por experiencia propia del autor en esta área industrial, posteriormente se generó un programa bajo lenguaje C implementado sobre la herramienta SIMULINK de MATLAB para proceder a la simulación  y análisis del modelo. Dicho análisis consistió en simular el sistema en lazo abierto con la finalidad de obtener las curvas de reacción o de respuesta natural de las variables estudiadas las cuales fueron: concentración de sustrato, biomasa y producto (etanol), así como las temperaturas del reactor y del sistema de enfriamiento, así como, la aplicación de perturbaciones tipo escalón en las concentraciones de las diferentes variables y de las temperatura del sistema, observando el efecto sobre el resto de las variables. De acuerdo a los resultados obtenidos se puede decir que el modelo propuesto es capaz de reproducir los fenómenos que se presentan en el proceso de fermentación continua, coincidiendo con los resultados mostrados por la bibliografía citada.

Palabras Claves: modelado matemático, biorreactor, continuo, levadura, etanol

Introducción

Los procesos biológicos han estado presente desde tiempos ancestrales siendo utilizados en una gran variedad de áreas, tales como; ambiente, salud, alimentación, energía, entre otras (Imtiaz, Jamuar, & Sahu 2015). En esta gran variedad de áreas existe un producto en común, como lo es el alcohol etílico o etanol; éste ocupa un puesto importante dentro de los procesos biológicos, como materia prima en la elaboración de productos alimenticios, y en particular en las últimas décadas, donde se ha hecho frecuente su uso como combustible automotor tal como se describe en el informe presentado por el Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura (2007).

El proceso biológico comúnmente usado para la producción de etanol es conocido como fermentación; este proceso es llevado a cabo en un equipo llamado fermentador; sin embargo, debido a la naturaleza del proceso también se le denomina biorreactor. Éstos, son sistemas cuyo objetivo fundamental es mantener un ambiente biológicamente activo en su interior. Para realizar el proceso de fermentación, tales equipos pueden operar en uno de los modos siguientes: por lote, semicontinuo, o continuo.

En la operación por lotes o “batch”, el  material  que sirve de soporte al cultivo (denominado sustrato) que usualmente aporta nutrientes para el crecimiento de los microorganismos y a su vez es transformado en el producto de interés, es añadido al inicio de una sola vez, y el producto es retirado solo hasta alcanzar los niveles de concentración requeridos. En la operación semicontinua el sustrato es añadido durante el curso de la operación, y el producto es retirado al final. La fermentación semicontinua corresponde a un modo intermedio entre la fermentación por lote y continua. Por otro lado, la operación continua implica que tanto la alimentación del sustrato, como la descarga del producto se realizan de forma simultánea, lo cual conlleva a tener un proceso más eficiente, pero a su vez un tanto más complejo desde el punto de vista de control Vogel & Todaro (1997).

Caramihai & Severin (2013), señalan que para procesos continuos una meta práctica es seguir una trayectoria predeterminada para la variable controlada que optimiza un objetivo de desempeño particular. El control apropiado puede asegurar un rendimiento alto de producto a costos reducidos de fabricación, es decir, en un menor tiempo y con el mínimo uso de materia prima (sustrato).

Sin embargo, es importante resaltar que al ser un proceso biológico, la trayectoria de cualquiera de las variables intervinientes dependen de la actividad de los microorganismos presentes, los cuales para este caso corresponden a una especie en particular de levadura, conocida como Saccharomyces cerevisiae, cuya dinámica obedece a la cantidad de sustrato presente, el producto obtenido y a la temperatura del sistema (Zhu, Zamamiri, Henson, & Hjortso, 2000).

De acuerdo a lo anterior, un problema relevante en procesos continuos de fermentación para producción de etanol es el de controlar la trayectoria de la fuente de alimentación de sustrato, ya que esta variable incide de forma directa y determinante en la dinámica y actividad de las levaduras, y por ende, una mayor o menor  concentración del producto obtenido.

En tal sentido, es de suma importancia conocer la dinámica que describe la trayectoria de cada variable interviniente en el proceso, lo que a su vez implica la determinación de un modelo matemático que sea capaz de reproducir de la manera más efectiva el comportamiento del sistema. Para tal fin se presenta a continuación un trabajo de investigación cuyo objetivo fundamental es el de presentar y simular un modelo matemático para un sistema continuo de fermentación para la producción de alcohol etílico, basado en los trabajos presentados por Ortega, Perez, & Lopez (2016), Ribas G., Hurtado V., Garrido C., Domenech L., & Sabadí D. (2011) y Gomez, Calderon, & Àlvarez (2008)

Bioproceso

De acuerdo a Ortiz (2011), se define como todo proceso industrial que involucra la manipulación de organismos vivos o sus componentes celulares para proveer bienes o servicios. Entendiéndose como “bienes” aquellos productos consumibles por los seres humanos, entre los cuales destacan; antibióticos, hormonas, fermentos, vacunas, ácidos orgánicos, amino ácidos, biocombustibles, biomasa, entre otros. Mientras que los “servicios” se refieren a procesos propiamente dichos, tales como; bio-remediación, bio-lixiviación, tratamiento de efluentes. En este tipo de proceso intervienen básicamente dos elementos fundamentales, el primero de ellos se conoce como sustrato o nutriente, el segundo corresponde con la biomasa constituida por microorganismos, células y/o tejidos que llevan a cabo la acción biológica para degradar o transformar al sustrato. De acuerdo a lo anterior, un proceso biológico se caracteriza por:

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