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Aplicación de la teoría de la incertidumbre en el análisis del proceso de producción de levadura torula en el Complejo Agro Industrial azucarero “Perucho Figueredo”. II
Julio Pedraza Gárciga* Ronaldo Santos Herrero* José Gutiérrez Cabana** Simón Akayiri Nyaba* *Fac. de Química y Farmacia, UCLV **CAI “Perucho Figueredo”, Encrucijada, Villa Clara, Cuba
Recibido: diciembre/1999 Aceptado: febrero/2000
Se presenta la segundaparte* de un estudio del proceso de producción de la levadura torula en el Complejo Agro Industrial azucarero “Perucho Figueredo” mediante la aplicación de la teoría de la incertidumbre. Se realiza el balance de energía para el proceso utilizando los valores más probables obtenidos del balance de materiales con incertidumbre, determinándose determinánd ose el consumo de fuel oil real para las diferentes etapas que lo componen. Palabras claves: Levadura torula, fermentación, energía The present work constitutes the second part of a study of the production of torula yeast in the Agricultural and Industrial Complex (AIC) “ Perucho Figueredo”, by applying applying the theory of uncertainty. uncertainty.The energy balancefor the pro cess using the most probable values from the material balance with uncertainty was made, and the consumption of fuel oil for the different stages of the process was calculated as a result of this balance. Key words: Torula Torula yeast, fermentation, energy INTRODUCCIÓN
Balance de energía en la fábrica
Los balances fueron realizados en los lugares donde está presente el intercambio de calor, cal or, con el objetivo de conocer el gasto de combustible combustibl e y su índice por unidad de producto terminado. También También fueron hechos los balances para el sistema de enfriamiento de un fermentador para determinar la afectación del coeficiente de transferencia de calor de las radioplacas, debido a las incrustaciones y el mal estado técnico del circuito cerrado de enfriamiento, ya que la elevación de la temperatura de fermentación es una causa importante del decrecimiento de la productividad en la formación de biomasa.
Para su realización se tomaron los valores medios del balance de materiales con incertidumbre, para tener un criterio sobre el consumo de portadores energéticos del proceso. Los balances de energía a tomar en cuenta son: - Pasterización de la miel diluida
- Termóli Termólisis sis y evaporación - Secado por atomización - Enfriamiento de los fermentadores DESARROLLO
Pasterización de la miel diluida
La capacidad calorífica para soluciones azucaradas se calcula por: Cp = 1 - ( 0,0056 * Bx )
* La primera parte de este trabajo apareció publicada en: Centro Azúcar (2):15-18 (Santa Clara), 2000 (N. del E.)
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Calor debido a la producción de levadura, Ql
por tanto: Cp = 1 - ( 0,0056 * 45 ) = 0,7480 kcal/ kg- C o
La miel diluida que se alimenta a los fermentadores se calienta hasta 90 oC para pasterizarla. La temperatura inicial de la miel diluida es de 60 oC, ésta se diluye con agua de pozo. El calentamiento de la miel se realiza por contacto directo por medio de un inyector de vapor. De acuerdo con el balance de materiales con 1 incertidumbre que aparece en la literatura la fábrica consume 2271,83 kg/h de miel diluida. Q = m*Cp*∆t = 2271,83 * 0,7480 ( 90 - 60 ) = 50979,86 kcal/h El vapor saturado con 3 kg/cm 2 de presión, utilizado en el calentamiento de la miel, tiene una entalpía de 509,16 kcal/kg Consumo de vapor = 50979,86 / 509,16 =100,125 kg/h; lo que representa un consumo de fuel oil de 10 kg/h.
Ql = 3200 * 283,03 Ql = 905 695 kcal/h Calor traído por el aire, Qa
Es el calor entregado por el trabajo de los sopladores en el bombeo del aire y que según el fabricante asciende a 230 kW/h, o sea : Qa = 230 * 860 Qa = 197 800 kcal/h El calor total a evacuar por un fermentador es (Q) Q = Ql + Qa Q = 905 696 + 197 800 Q = 1 103 496 kcal/h Este calor es evacuado por diversos medios de enfriamiento. Estos son : 1. Saturación del aire de fermentación, Q’e 2. Enfriamiento interior de los fermentadores, Q’i 3. Enfriamiento por el caudal de alimentación, Q’a 4. Chorreo de agua por el exterior de los fermentadores, Q’r Enfriamiento por saturación del aire
Balance de energía en el fermentador
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Este balance aparece en la literatura. Para el cálculo del balance de energía en el Se conoce que el soplador entrega actualmente fermentador se siguió el procedimiento utilizado en 11 000 Nm 3/h de aire, o sea: la carpeta: “Cálculo de la instalación”, de la firma 3 Speichim. Se deben considerar, además, las 11 000 / 0,7735 Nm /kg = 14 221 kg/h de aire condiciones siguientes: Aire saturado : Temperatura = 35 oC Humedad = 80 % - 1 kg de levadura produce 3 200 kcal /kg Entalpía = 26 kcal/kg - Producción de 6,79 t/día de levadura con 92 % de masa seca o sea 283,03 kg/h de levadura por Aire saliendo: Temperatura = 40 oC fermentador Humedad = 100 % - Temperatura del agua de enfriamiento: t1 = 32 oC Entalpía = 42 kcal/kg - Temperatura final del agua de enfriamiento: t 2 = 35 oC Calor evacuado: Q’e = M * H - Temperatura de la fermentación: t = 40 oC. Q’e = 14 221 ( 42 - 26 ) - Caudal de aire que alimenta al fermentador = Q’e = 227 536 kcal/h 3 45 500 Nm /h Enfriamiento interior de los fermentadores, Q’i - Aire atmosférico: temperatura = 35 oC - Humedad = 80 % - Parte superior troncocónica, Q’it - Entalpía = 26 kcal/kg • Está formada por 33 placas alimentadas en paralelo. La temperatura del agua de enfriamiento se incrementa por no estar funcionando los cuatro • Longitud útil de los conductores = 2 620 mm ventiladores de la torre y por su mal estado técnico • Anchura de la placa = 819 mm en general. 32
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•
Cada placa está constituida por 14 conductos agrupados 2 por 2.
Las características de los conductos son: - Sección: S = 440 mm2 - Perímetro: p = 95 mm - Diámetro hidráulico = 4S/p = 4 * 440 / 95 = l8,5 mm - Superficie de un tubo, P*L = 95 * 2 620 / 1 000 000 = 0,2485 m2 - Superficie total, 0,2485 * 33 * 14 = 115 m 2 K: coeficiente de transferencia de calor; será toma* do igual a 1 500 kcal/ oC-m2-h. Este valor elevado -determinado experimentalmente- es debido a la gran velocidad de circulación del mosto en el interior del fermentador. Cálculo de ∆tm ∆tm = ( t-t1)- (t-t2) / ln (t-t1)/(t-t2) ∆tm = (40-32) - (40-35) / ln (40-32)/(40-35) ∆tm = 6,38 oC Q’it = K * S * ∆tm
Q’ic = 273 076 kcal/h Para ello se necesita un caudal de agua de: m = 273 076 / 1 * 3,5 * 1 000 m = 78 m3/h de agua de enfriamiento El total de agua de enfriamiento es de 367 + 78 = 445 m3/h Enfriamiento por la alimentación
El caudal de alimentación de un fermentador es: Ft = 54,86 m3/h Este caudal se compone de : Miel diluida = 1,904 m3/h Agua de dilución = m3/h Soluciones salinas = 0,338 m 3/h No se recirculan efluentes de primera para este caso. El agua de dilución y las soluciones salinas tienen una temperatura de 28 oC . Por ser pequeñas las proporciones de sales se asume que : Cp = 1 kcal/kg oC Y la densidad ρ = 1 t/m3 Q = F * Cp * r ∆t Q = ( 54,86 + 0,338 ) * ( 40-28 ) * 1000 Q = 662 376 kcal/h
Q’it = 1500 * 115 * 6,38 Q’it = 1 100 550 kcal/h Para ello se necesita un caudal de agua de : La miel diluida se enfría a 32 oC con agua de pozo a m = Q’it / (cp * ∆t * 1000 ) 28 oC. La densidad es de 1,2 kg/L a 45 oBx, y la m = 1 100 550 / 1 * 3 * 1000 capacidad calorífica es de 0,75 kcal/kg oC. m = 367 m 3/ h Q = ( 1,904 * 1,2 * 0,75 ) * ( 40-32) * (1 000) = 13 708,8 - Parte inferior cilíndrica Q’ic. kcal/h Está formada por 10 placas alimentadas en paralelo. La cantidad de agua de pozo utilizada en el - Altura útil , h = 659 mm enfriamiento es: - Longitud, l = 2905 mm m = 13 708 / 1 * 2,5 * 1 000 = 5,483 m3/h - Cada placa esta constituida por 50 conductos, Este agua, que alcanza una temperatura de 30,5 oC, agrupados 2 por 2. es utilizada después para la dilución de la miel final Las características de los conductos son: física. 2 - Sección, S = 430 mm En este balance se desprecia el enfriamiento por - Perímetro, p = 90 mm convección a través de las paredes del fermentador. - Diámetro hidráulico, 4S/p = 4 * 430 / 90 Balance de energía en termólisis y concentración = 19,1 mm - Superficie de transferencia de un tubo = P * h. La capacidad de evaporación del evaporador es de 4 P * h = 90 * 659 / 1 000 000 345 kg/h, con una economía de 1,85 kg de agua = 0,05931 m2 evaporada/kg de vapor consumido. - Superficie de transferencia total = 0,05931 * 10 * 50 = 29,65 m2 Si se conoce que: X ce = 151,67 g/L, Xc2 = 85,06 Cálculo de ∆tm ( la temperatura final del agua de enfriamiento es de 35,5 oC ) Delbalancematerialentermólisisy concentraciónseobtiene: ∆tm = ( 40-32) - ( 40-35,5)/ln (40-32)/(40-35,5) C2 = Ce + Ae o ∆tm = 6,14 C C2 * Xc2 = Ce * Xce Q’ic = 29,65 * 6,14 * 1500 Sustituyendo por los valores de X ce y Xc2: 33
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ANÁ LISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
C2 = Ce + 4,345 m 3/h C2 * 85,06 = Ce * 151,67
1.Del balance de energía realizado con los valores más probables obtenidos del balance con incertidumbre se obtiene el consumo de fuel oil en la producción de vapor para pasterizar mieles, la termólisis y la evaporación, así como el necesario para el secado de la levadura que asciende a 797,52 kg de fuel oil/t de levadura; El fuel oil consumido por el evaporador para siendo el consumo real del año 1997 de 746,03 evaporar 4,345 kg de agua es de 235 kg. Por tanto kg de fuel oil/t de levadura, superior a la norma el fuel oil consumido por tonelada de levadura es de consumo de 630 kg/t de levadura y al real igual a: 235/0,842 = 279 kg de fuel oil/t de levadura. obtenido cuando la fábrica se explotaba a su capacidad, que era de alrededor de 500 kg de fuel oil/t de levadura. Balance de energía en secado Resolviendo el sistema de ecuaciones anterior se obtiene: Ce = 5,55 m3/h; C2 = 9,895 m 3/h Materia seca = Ce * Xce = 841,768 kg/h de levadura
2. Este balance establece claramente la influencia de la baja concentración de levadura obtenida en el fermentador, lo que provoca menores concentraciones de crema en las separadoras, que finalmente representan una menor producción Si se conoce que: X cs = 91,66 %, X ce = 151,67 g/L de levadura para una cantidad de agua a 3 evaporar en concentración y secado con la mejor = 15,17 %, A s = 5,478 m /h = 5,478 t/h y Cs = explotación de estos equipos, y por tanto un Levadura seca; entonces, del balance de materiales mayor índice de consumo de fuel oil. se obtiene: Según el fabricante, la capacidad de evaporación de agua del secador es de 5 478 kg/h, con un consumo de fuel oil de 550 kg/h.
Cs = C e - A s Ce * Xce = Cs * Xcs Sustituyendo en las ecuaciones anteriores: Cs = Ce – 5,478 Ce * 15,17 = Cs * 91,96 Se obtiene que: C e = 6,56 t/h, Cs = 1,058 t/h Índice de consumo de fuel oil = 550/1,08 = 509,26 kg/t de levadura.
3. El balance de energía realizado con los valores medios obtenidos del análisis estadístico hace posible definir cuál será el consumo de fuel para cada situación específica del balance de materiales y demuestra la no existencia, desde el punto de vista de eficiencia energética, de dificultades en los equipos de evaporación y secado. FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS
Consumo de fuel oil en evaporación y secado: = 279 + 509,26 = 788,26 kg/t de levadura
1. Pedraza Gárciga, J. y otros: “Aplicación de la teoría de la incertidumbre en el análisis del proceso de producción de levadura torula en el Complejo Como el consumo de fuel oil necesario para producir Agro Industrial ‘Perucho Figueredo’ (I)”, Centro el vapor que requiere la pasterización de miel es de Azúcar (2):15-18 (Santa Clara), 2000. 10 kg/h, entonces el índice de consumo es de: 10 kg/h de fuel oil/1,08 t/h de levadura = 9,26 kg/t 2. Angelino, J. M.: “Análisis de alternativas de reactivación económica de la planta de levadura de levadura Torula del CAI ‘Perucho Figueredo’”, trabajo de diploma, UCLV, 1996-1997. Por lo tanto el consumo de fuel oil en la producción de vapor y en el secado de levadura asciende en total a: 3. Santos Herrero, R. y otros: “Análisis técnicoeconómico actual de la producción de levadura 788,26 + 9,26 = 797,52 kg fuel oil/t de levadura torula en el Complejo Agro Industrial Azucarero “Perucho Figueredo”, Centro Azúcar (2):14 (Santa Clara), 1998 34