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MG.ING. FERNANDO
VASQUEZ PERDOMO
Mdulo: I Unidad: I Semana: I
CICLO : 2015 - II
1
PROCESOS INDUSTRIALES Y
TECNOLOGIAS LIMPIAS
2
3
INTRODUCCIN
A LOS PROCESOS INDUSTRIALES
Y
TECNOLOGIAS LIMPIAS
TIPOS DE OPERACIONES EN LOS
PROCESOS INDUSTRIALES-
EQUIPOS
ORIENTACIONES
Estimado estudiante:
Efecte una lectura comprensiva e interpretativa de su gua didctica.
Interprete con sus propias palabras los conceptos presentados por el autor
Resuelva la auto-evaluacin, y ejercicios propuestos.
Estudie, Interprete y Analice las ayudas publicadas en el sistema.
Antes de comunicarse con la docente a travs de la sala de conversacin formule sus
preguntas de manera concreta y precisa, as
como pertinentes.
CONTENIDOS TEMTICOS
Un proceso de fabricacin, tambin denominado
proceso industrial, manufactura o produccin, es el
conjunto de operaciones y
procesos necesarios para
modificar total o parcial las
caractersticas de las materias
primas. En muchos casos mediante reacciones qumicas. Dichas caractersticas pueden ser de naturaleza
muy variada tales como la forma, la densidad, la
resistencia, el tamao o la esttica. Se realizan en el
mbito de la industria.
INTRODUCCIN
tipos de operaciones en los
procesos industriales, debemos tener
en cuenta las maquinarias y equipos que
intervienen en dichos proceso y operaciones y
para ello desarrollaremos un estudio de los
principales equipos tales como:
7
principales equipos tales como:
Intercambiadores de calor, filtros, sedimentadores,
columnas de destilacin, columnas de absorcin,
equipos de transformaciones, reactores
fermentadores.
Tomar en cuenta la Ingeniera de
proceso, esquemas y diagramas de procesos,
diagrama de bloques, etc. Estos diagramas sern de
mucha utilidad en el balance de materia y energa. 8
son procesos qumicos que
se usan para la
produccin a escala
industrial, con frecuencias diferentes de los que se usan
para pequeas producciones
a escala de laboratorio.
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PROCESOS QUIMICOS
INDUSTRIALES
10
Un proceso qumico es un conjunto
de etapas, en cada una de las
cuales tiene lugar una
transformacin qumica sobre el
producto de la reaccin anterior, y
parte de una materia prima. Por
ejemplo: A -> B -> C -> D
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La materia prima A sufre una transformacin
qumica y se convierte en B, que a su vez
sufre otra transformacin para dar lugar a C, y
as sucesivamente.
A -> B es una etapa
B -> C es otra etapa
C -> D es otra etapa
A -> B -> C -> D es el proceso
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Las operaciones unitarias son etapas fsicas de
procesos de separaciones industriales o no. Existen pues,
procesos fsicos y procesos qumicos, los primeros tienen
lugar a nivel extramolecular, y los segundos a nivel
intramolecular. Por ejemplo:
P.Fsicos:Decantacin,Filtracin,Centrifugacin, Destilacin,
Rectificacin, Extraccin con disolventes o con solventes,
Cristalizacin, Molturacin, Tamizado, etc.
P. Qumicos: Reacciones qumicas como la oxidacin, la
reduccin, reacciones con cidos y reacciones con lcalis.
(En toda su extensin y amplitud).
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CLASE Y TIPOS DE PROCESOS
a) Los procesos primarios:
Dedicados a la produccin de materia prima
para su transformacin posterior en productos
tecnolgicos.
b) los procesos secundarios:
Estn dedicados a la obtencin de un
producto tecnolgico acabados para su
produccin se utiliza los materiales de
procesamiento primario.
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Como hemos visto en una innumerable cantidad de casos una vez
obtenidos los materiales de la naturaleza, estos necesitan algn tipo de
procesamiento para su utilizacin como materia prima de una industria
dedicada a la fabricacin de productos tecnolgicos como complejos o
acabados.
En general, al proceso productivo de este tipo de industria se lo
suele llamar explotacin.
En la industria de proceso primario, aparecen tres etapas comunes en el
proceso de fabricacin.
Extraccin y recoleccin de los materiales desde su fuente natural
Produccin de materia prima para los proceso secundarios
Embalaje, almacenaje y distribucin
Proceso primarios, la industria de los insumos
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A los procesos primarios de produccin se los
suele llamar explotacin, y a los procesos
secundarios, de fabricacin.
En los proceso de explotacinproductos
homogneos
En los procesos de fabricacinProductos
formados por distinta partes que debe ser
ensamblados y articulados entre s para lograr un
artefacto teniendo en cuenta el diseo.
Proceso secundarios: la industria de los
productos.
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Los procesos de produccin y la industria:
Algunos de estos recursos son:
Energtico
Humanos
Materiales
Financieros
Tecnolgicos: maquinarias,instrumentos,
equipos, etc.
Informativos.
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Industrias de Procesos Qumicos Alimentos (bebidas, azcar, jugos, conservas, congelados, lcteos, Vino,
cerveza).
Combustibles (petrleo, carbn, gas natural, gasolina, lubricantes y deriv.).
Compuestos Qumicos
Orgnicos (petroqumicos, solventes, caucho, etc).
Inorgnicos (sales, fertilizantes, etc).
Explosivos. Detergentes y Jabones. Pinturas y Pigmentos.
Generacin de Vapor y Energa Termo-Elctrica.
Materiales (cemento, vidrio, cermica, adhesivos, construccin).
Metalurgia (acero y aleaciones, metales: Cu, Ag, Au, Mo, Re, etc).
Papel y Celulosa.
Pesquera (harina y aceite de pescado, conservas, Salmn).
Plsticos, Textiles y Fibras Sintticas.
Tratamientos de Aguas, Efluentes Industriales (Gases, RILes, RISes).
Frmacos.
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Perspectiva histrica
- Creacin de Riqueza a partir de Recursos Naturales.
- Industria Primaria (Estratgica).
- Soporte de Industria Manufacturera y de Servicios.
Historia ligada a:
i) Fuentes de Energa
ii) Actividades Industriales y Militares.
Perodo Combustible Actividad
Antigedad Lea Productos Naturales
Metalurgia, Agricultura
Moderna Carbn Carboqumica, Vapor,
Minera, Revolucin Industrial
Contempornea Petrleo Petroqumica, Combustibles
Electricidad Electroqumica, Magntica
Nuclear Generacin Termo-Elctrica
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Desafos Crisis Energtica
Problemtica Ambiental.
Integracin de Procesos y Automatizacin
Nuevos Materiales
Plantas Flexibles, Modulares, Multiproducto y Multipropsito
BioProcesos
Modelacin, Simulacin, Optimizacin, Diseo, Programacin y
Planificacin Computacional de Procesos Industriales.
Nuevos Instrumentos y Tecnologas de Separacin.
Nuevos Productos y Materiales Sintticos. Polmeros y Catalizadores.
Automatizacin y Robtica, Control Digital, Inteligencia Artificial.
Bioproductos, Productos Reciclables.
Sistemas Neuronales y Cdigo Gentico.
Materiales Avanzados. Microelectrnica. Nanotecnologa.
21
Problemas ambientales en la
calidad del aire del AIRE.
Problemas ambientales en la
calidad del AGUA .
Problemas ambientales
en la calidad del AIRE
Problemas
ambientales en la
calidad del SUELO
Discusin grupal de los problemas ambientales
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TIPOS DE
OPERACIONES
EN LOS
PROCESOS
INDUSTRIALES
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INTERCAMBIADORES DE CALOR
Un intercambiador de calor es un dispositivo
diseado para transferir calor entre dos medios,
que estn separados por una barrera o que se
encuentren en contacto. Son parte esencial de los
aparatos de refrigeracin, acondicionamiento de
aire, produccin de energa y procesamiento
qumico. FLUIDO FRIO FLUIDO
CALIENTE
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Cambiadores de calor tubulares El cambiador indirecto ms simple es el cambiador de tubos
concntricos; consta de dos tuberas concntricas, una en el
interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio
anular y por la tubera interior. Los flujos pueden ser en el
mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario
(contracorriente).
Tambin los intercambiadores pueden ser:
Intercambiadores de Calor de doble Tubo.
Intercambiadores de Calor de doble Tubo, Con arreglo
(serie- Paralelo, Horquillas.)
Intercambiadores de Tubo y Coraza.
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31
Clasificacin de intercambiadores
1. Intercambiadores de contacto directo: son aquellos
dispositivos en los que los fluidos sufren una mezcla
fsica completa.
2. Intercambiadores de contacto indirecto:
Alternativos: ambos fluidos recorren un mismo espacio
de forma alternada, la mezcla entre los fluidos es
despreciable.
De superficie: son equipos en los que la transferencia
de calor se realiza a travs de una superficie, cilndrica
o plana, sin permitir el contacto directo.
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De flujo paralelo (intercambio lquido - lquido). De flujo cruzado
(intercambio lquido gas).
Intercambiadores de contacto directo e indirecto..
Intercambiadores de contacto indirecto: De superficie de
flujo paralelo: son equipos en los que la transferencia de calor
se realiza a travs de una superficie, cilndrica o plana, sin
permitir el contacto directo.
La temperatura de salida del fluido frio nunca
puede ser superior a la temperatura de salida
del fluido caliente
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Intercambiadores de contacto indirecto: De
superficie de flujo cruzado, son aquellos cuyos
flujos tienen sentidos contrarios, denominndose en
contracorriente, se realiza a travs de una superficie,
cilndrica o plana, sin permitir el contacto directo.
La temperatura de salida del fluido frio
puede ser igual o superior a la temperatura
de salida del fluido caliente
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Intercambiadores de tubera doble Intercambiadores enfriados
por aire Intercambiadores de tipo placa. Intercambiadores de
casco y tubo
Intercambiadores de tubera doble. Consiste en un tubo
pequeo que est dentro de otro tubo mayor, circulando un fluido
por el interior y otra por el exterior. Se utilizan cuando los
requisitos de rea de transferencia son pequeos
Intercambiadores enfriados por aire. Consisten en una serie
de tubos situados en una corriente de aire, que puede ser
forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener
aletas para aumentar el rea de transferencia de calor
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Intercambiadores de tipo placas. Tienen una
elevada rea de intercambio en una disposicin muy
compacta, ya que la superficie de contacto es
elevada. Estn limitados a presiones pequeas
Intercambiadores de casco y tubo. Ampliamente
utilizados en la industria qumica, consisten en una
estructura de tubos pequeos colocados en el interior
de un casco de mayor dimetro. Diseo
estandarizado por The Tubular Exchanger
Manufacturers Association (TEMA).
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SEDIMENTADORES
La sedimentacin es una operacin unitaria dentro de
los procesos de tratamiento de aguas que tiene como
finalidad el remover los slidos suspendidos que el
agua pueda contener.
Los slidos en suspensin sedimentables son aquellos
que por accin de la gravedad se separan del seno del
lquido y son arrastrados hacia el fondo del tanque
sedimentador, donde pueden ser separados del agua a
la cual se desea darle tratamiento para remocin de
dichas partculas.
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El proceso de sedimentacin La sedimentacin es
un proceso que forma parte de la potabilizacin del
agua y de la depuracin de aguas residuales.
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El proceso es el siguiente
Los sedimentadores pueden ser:
a) Sedimentador de placas inclinadas de alta eficiencia.
b)Sedimentadores circular y rectangular con
mecanismo de extraccin de lodos
Coleccin del efluente
Extraccin de lodos
c) Sedimentador circular con alimentacin al
centro y colector perifrico
Otros : Sedimentador de plano inclinado
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FILTRADORES
La filtracin remueve aquellas partculas que tienen una
densidad muy cercana a la del agua y no pudieron ser
removidas en el proceso anterior (sedimentacin). Se trata
de un proceso complementario. Los filtros de arena son
efectivos para filtrar tanto contaminantes orgnicos, como
inorgnicos. El tamao mayor y la naturaleza
tridimensional del lecho de arena proveen ms rea de
filtrado y tienen una mayor capacidad de retencin que
muchos otros tipos de filtros.
40
Para eliminacin la de turbidez
del agua se utiliza los
siguientes:
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AFS - Lecho filtrante constituido por arena de slice de
granulometra adecuada a la aplicacin. Eliminacin de
materia en suspensin.
AFD- Lechos filtrantes constituidos por antracita y arena de slice de
granulometra adecuada a la aplicacin. Eliminacin de materia en suspensin.
Rango de filtracin de hasta 15 con mayores caudales de filtracin que los filtros
de arena y menor consumo de agua de lavado. ATX- Alta eficiencia de filtracin. Un
solo lecho filtrante constituido por un compuesto mineral aluminio-silicato con grado
de filtracin de hasta 5 . Alto caudal de servicio y recomendado para la filtracin
final de agua municipal o pozo. No recomendado para la filtracin primaria de aguas
con alta turbidez. Incluye, por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentacin que
separa dos secciones de etapas de equilibrio, denominadas rectificacin y
agotamiento.
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Filtracin: Proceso de separar un slido (como un
precipitado) de un lquido en el que est suspendido al
hacerlo pasar a travs de un medio poroso por el cual el
lquido puede penetrar fcilmente. La filtracin es un proceso
bsico en la industria qumica que tambin se emplea para
fines tan diversos como la preparacin de caf, la clarificacin
del azcar o el tratamiento de aguas residuales. El lquido a
filtrar se denomina suspensin, el lquido que se filtra, el
filtrado, y el material slido que se deposita en el filtro se
conoce como residuo, torta o lodo.
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En los procesos de filtracin se emplean cuatro tipos de
material filtrante: filtros granulares como arena o
carbn triturado, lminas filtrantes de papel o filtros
trenzados de tejidos y redes de alambre, filtros rgidos
como los formados al quemar ladrillos o arcilla (barro) a
baja temperatura, y filtros compuestos de membranas
semipermeables o penetrables como las animales. Este
ltimo tipo de filtros se usan para la separacin de slidos
dispersos mediante dilisis.
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Mezcla
Fase slida
Fase lquida
Esquema bsico de la filtracin
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COLUMNAS DE DESTILACIN
Componentes Principales de las Columnas de
Destilacin.
Un recipiente vertical donde tiene lugar la separacin
de los componentes lquidos interiores de columna
tales como platos o relleno que se utilizan para
incrementar el contacto entre lquido y vapor. Un
rehervidor o reboiler para vaporizar el producto de
fondo.
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COLUMNA DE DESTILACION
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Operacin Bsica y Terminologa
La mezcla lquida a procesar se conoce como
alimentacin y se introduce por la parte media de la
columna en un plato que se conoce como plato de
alimentacin. Dicho plato divide la columna en una
seccin superior (de enriquecimiento o rectificacin)
y una inferior (despojamiento). La alimentacin
circula hacia la parte inferior de la columna donde es
dirigida al rehervidor (o reboiler).
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El vapor se mueve ascendiendo por la columna y al salir
por la parte superior, es enfriado por un condensador. El
lquido condensado es retenido en un recipiente
denominado tambor de reflujo. Parte de este lquido es
reciclado a la parte superior de la columna y es llamado
reflujo. El lquido condensado que sale del sistema se
llama destilado o producto de tope.
De esta manera, hay flujos internos de vapor y lquido
dentro de la columna, adems de flujos externos de
corrientes de alimentacin y productos, entrando y
saliendo de la columna.
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Tipos de Columnas de destilacin
El proceso de destilacin se puede realizar en
diferentes tipos de columnas que pueden
clasificarse, en relacin a sus dispositivos
internos en:
Columnas de platos
Columnas de relleno
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Columnas de platos
En las columnas de platos la operacin se lleva a
cabo en etapas. El plato va a proporcionar una
mezcla ntima entre las corrientes de lquido y
vapor. El lquido pasa de un plato a otro por
gravedad en sentido descendente, mientras que el
vapor fluye en sentido ascendente a travs de las
ranuras de cada plato, burbujeando a travs del
lquido
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Columnas de relleno
La funcin principal del relleno consiste en
aumentar la superficie de contacto entre el lquido y
el vapor, aumentar la turbulencia y por tanto mejorar
la eficacia. A medida que aumenta el tamao del
relleno disminuye la eficiencia de la transferencia de
materia y aumenta la prdida de carga, por tanto
para determinar el tamao ptimo de relleno habr
que llegar a un compromiso entre estos dos
factores.
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Otras reas en las que se emplea la
destilacin son
Plantas productoras de bebidas alcohlicas
(destileras).
Plantas que procesan gas natural
Obtencin de aceites esenciales a partir de
materias aromticas
Aplicaciones Plantas petroqumicas
Aplicaciones Planta de destilacin de etanol
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COLUMNAS DE ABSORCIN
Absorcin es la operacin unitaria que consiste en la separacin de uno
o ms componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un
solvente lquido (un soluto A o varios solutos, se absorben de la
fase gaseosa y pasan a la lquida).
La Solubilidad del gas, debe ser elevada a fin de aumentar la rapidez
de la absorcin y disminuir la cantidad requerida de disolvente.
Volatilidad, debe tener una presin baja de vapor. Corrosin, los materiales
de construccin que se necesitan para el equipo no deben ser raros o
costosos. Costo, debe ser barato, de forma que las prdidas no sean
costosas, y debe obtenerse fcilmente. Viscosidad, se prefiere la viscosidad
baja debido a la rapidez en la absorcin. Otros, no debe ser txico, ni
inflamable, debe ser estable qumicamente y tener un punto bajo de
congelamiento.
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COLUMNAS DE ABSORCIN
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Adsorcin
Aprovecha la tendencia que tiene una sustancia
slida de retener sobre su superficie una capa de
un componente indeseable en una mezcla fluida.
La sustancia slida se llama adsorbente. La
remocin de la humedad del aire usando slica gel
es un ejemplo de esta operacin.
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Mezcla lquida libre de A
Mezcla
lquida
Slido
adsorbente
Mezcla
gaseosa
Mezcla
Gaseosa libre de
A
Slido
adsorbente
Esquema de la adsorcin
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Tipos de columnas
Est rellenada de anillos Raschig de 10 x 10mm,
tambin de vidrio, usados para la absorcin de gas.
El lquido usado se almacena en un tanque de
alimentacin rectangular y mediante una bomba
centrfuga se suministrar por la cabeza de la
columna, desde donde desciende por el relleno y
vuelve al tanque. Un medidor de flujo de rea variable
instalado en la lnea de recirculacin da una lectura
directa del caudal.
Columna de absorcin de relleno.
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Columna de absorcin de gas de pared
hmeda - CES
Las columnas de pared hmeda pueden utilizarse para
determinar coeficientes de transferencia de masa
gas/lquido, esencial a la hora de calcular el diseo de
las torres de absorcin. Dichos coeficientes forman la
base de las correlaciones usadas para desarrollar
torres de relleno. El CES examina la absorcin en agua
desoxigenada (preparada por aspersin de nitrgeno)
de oxgeno del aire. ste es un ejemplo de absorcin
controlada por pelcula lquida. Puede determinarse el
coeficiente de transferencia de masa de pelcula lquida
para diversos caudales msicos de agua.
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Aplicaciones de la absorcin
Recuperar productos produccin. De corrientes
gaseosas con fines de Mtodo de control de
emisiones de contaminantes a la
atmsfera, reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos de azufre, clorados y fluorados), es decir
en efluentes gaseosos. La recuperacin de gases
cidos como H2S, mercaptanos y CO2 con
disoluciones de aminas. Produccin industrial de disoluciones cidas o bsicas en agua (cidos
clorhdrico, sulfrico y ntrico o hidrxido amnico).
Eliminacin de SO2 de gases de combustin con
disoluciones acuosas de hidrxido de sodio. La
eliminacin de xidos de nitrgeno con disoluciones de
agentes oxidantes
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EQUIPOS DE TRANSFORMACIN
Reactores discontinuos o batch Este reactor se caracteriza por no tener flujo de entrada
de reactivos, ni de salida de productos mientras se lleva
acabo la reaccin. Puede ser simplemente un
tanque, el cual puede o no contener un agitador y se le
da tiempo para que se lleve acabo la reaccin; es decir
hasta que homogenice la mezcla. En los reactores
discontinuos, todos los reactivos son cargados
inicialmente en el reactor y la reaccin continua
entonces hasta completarse.
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REACTOR DISCONTINUO O BATCH
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Ventajas
Generalmente mejor para pequeos volmenes de
produccin.
Ms flexible en operaciones multi productos.
Generalmente requiere un capital relativamente bajo.
Fcil de parar y limpiar Desventajas
Requiere un tiempo de parada inherente entre cargas.
El Coste de operacin puede ser relativamente alto.
Estado no estacionario implica control de proceso y
una uniformidad de producto ms difcil de conseguir.
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Reactores continuos
Son aquellos que trabajan en estado
estacionario, mientras tiene lugar la
reaccin qumica al interior del reactor.
Se alimenta constantemente de
material reactante, y tambin se
retira ininterrumpidamente los
productos de la reaccin.
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REACTOR CONTINUO
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Ventajas
Mejor para producciones indefinidas
de un producto o conjunto de
productos. Coste de operacin
relativamente bajo. Estado
estacionario implica control de
proceso y una uniformidad de
producto menos difcil de conseguir.
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Generalmente requiere un
capital relativamente alto. Las
paradas provocadas por
mantenimientos inesperados
pueden ser costosas
Desventajas
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FERMENTADORES
La fermentacin microbiana es el mtodo ms aplicado
en la biotecnologa y tiene muchos usos y aplicaciones
en la industria de hoy da. Principio de funcionamiento
Es necesaria una solucin rica en nutrientes, donde se
inoculan los microorganismos y no se le aade nada ms
excepto oxgeno (m. aerobios) y un antiespumante.
Condiciones ptimas de trabajo con el control de los
siguientes parmetros: agitacin, temperatura, pH y
oxigenacin. Produccin y obtencin del producto y
purificacin.
68
Fermentadores
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Tipos de fermentadores
Aerbicos, es un recipiente cerrado que se puede
esterilizar, airear, agitar y cuyo contenido puede tener
la temperatura regulada con un alto grado de
exactitud. El aire esterilizado mediante filtracin pasa
por una vlvula que no permite el retroceso, penetra al
caldo de cultivo mediante un inyector situado en el
fondo del fermentador. El sistema de refrigeracin
diseado para eliminar el calor originado por la
agitacin y el calor metablico producido por el
cultivo microbiano..
70
Anaerobios, utiliza el mismo reactor, para operar
en condiciones anaerbicas, exceptuando la
aireacin que ahora resulta innecesaria. La
intensidad de la agitacin se ajustar para lograr
una mezcla homognea.
Aplicaciones:
Elaboracin de vinos
Elaboracin de cerveza.
Tipos de fermentadores
GRACIAS
71