• Author / Uploaded
• Rosy Gtz

Citation preview

INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA

Evidencia de aprendizaje

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA Alumno: Rosa María Guadalupe Gutiérrez Panales Matrícula: AL12535518 Docente: Claudia González Olguín Introducción

En el artículo “Aplicación de balances de masa y energía al proceso de fermentación en estado sólido de bagazo de caña de azúcar con Aspergillus niger.” Que realizó Dusted Mendoza et al, comprende un modelo matemático de dispersión para describir el comportamiento temporal del perfil de temperatura del aire y de otras variables en el proceso de fermentación. En este artículo se planteo el objetivo de encontrar un modelo matemático que les permitiera relacionar el comportamiento temporal del perfil de temperatura del aire con respecto a la altura de la cama de los sólidos. Uno de los puntos con mayor relevancia de este artículo radica en que el estudio fue realizado implicando el uso de microorganismos, por lo cual este tipo de procesos requiere de un modelo matemático especifico. Analizando el proceso realizado por Dusted Mendoza et al, podremos comprender de una forma sencilla las diferencias y semejanzas entre un proceso químico y un bioproceso.

Desarrollo Un proceso es un tratamiento o series de tratamientos por el cual se trata a la materia o a una mezcla de materiales para efectuarle un cambio, ya sea en su estado, en su contenido energético o en su composición. De tal forma que encontramos la existencia de tres procesos esenciales: I. II. III.

Procesos físicos Procesos químicos Procesos biológicos

Un proceso bilógico es un proceso industrial que involucra el uso de células vivas o sus componentes celulares para proveer bienes como antibióticos, hormonas, fermentos, vacunas etc; o servicios como biorremediación, biolixiviación etc. En los procesos biológicos los sustratos son transformados por acción biológica en biomasa y diversos productos, por lo cual estos procesos se caracterizan por usar un catalizador biológico y un biorreactor siendo este un equipo donde se realiza el proceso de cultivo, teniendo en cuenta las condiciones óptimas necesarias para el crecimiento de cultivo, asegurando la obtención de la biomasa y de los productos.

Un proceso químico no involucra el uso de organismos vivos, solo un conjunto o serie de reacciones ordenadas para la transformación de sustancias en productos

finales y a cada una de estas reacciones es una operación unitaria que se involucra en el proceso para la obtención final del producto. Para el desarrollo de investigación usaron el bioproceso de la fermentación en estado sólido, el cual se caracteriza por usar un soporte sólido, que tiene un bajo contenido de humedad, aproximadamente 12% como límite inferior; este tipo de fermentación produce una alta concentración de producto con un relativamente bajo requerimiento energético (Dusted Mendoza et al). Sin embargo, este y otros bioprocesos presenta la dificultad de que no se cuenta con las ecuaciones preestablecidas que permitan llevar los resultados de nivel laboratorio a una escala industrial, todo esto es debido a la complejidad de los fenómenos involucrados relacionados con los organismos vivos con los que se está llevando a cabo el bioproceso; ya que estos generan calor metabólico y además los procesos involucrados de trasporte de energía y masa dentro del sistema. Esta es una de las diferencias que existen entre los bioprocesos y los procesos químicos, resulta más complicado controlar y modelar un bioproceso que un proceso químico, debido a que los organismos vivos por si solos llevan a cabo una serie de reacciones que no pueden ser controladas por los Ingenieros a cargo del proceso. A pesar de la gran diferencia mencionada anteriormente existen semejanzas entre los dos procesos; en ambos procesos debe existir un o varios flujo de entrada o alimentación, así como variables de proceso y flujos de salida, característicos de cualquier proceso industrial. Para ambos procesos se debe realizar una modelación matemática que consiste en una serie de relaciones que se establecen para equipo que forma parte del sistema, dichas relaciones pueden ser: 

Balance de cantidad y movimiento



Balance de materia



Balance de energía



Ecuaciones de diseño



Relaciones termodinámicas y ecuaciones cinéticas



Especificación de algunas variables o restricciones particulares

El resultado de dicha modelación es un conjunto de ecuaciones no lineales y acopladas, cuya solución depende si el sistema es simple o complejo. El modelo de bioproceso de este estudio es la fermentación en estado sólido, para lo cual emplearon dos tipos de modelos:



Macroscópicos que únicamente se basan en el balance global de energía dentro del fermentador, donde el calor metabólico se expresa en función del patrón de crecimiento de los microorganismos. Este modelo permite estimar el flujo de aire necesario para mantener la temperatura del cultivo.



Dispersión, estos modelos se basan en la aplicación de las ecuaciones a fenómenos de transporte lo que permite describir el perfil de la temperatura del aire en el interior del biorreactor, para lo que los modelos macroscópicos no son adecuados.

Existen ecuaciones que representan un patrón de crecimiento de los microorganismos y expresiones relacionadas con el balance de masa que permiten describir la evolución del cultivo, el consumo de oxígeno y la generación de productos metabólicos.

El modelo matemático para describir el proceso de fermentación en estado sólido del bagazo de caña con el hongo celulítico Aspergillus niger, está compuesto por el conjunto de ecuaciones siguientes: a) Ecuaciones fenomenológicas de balances de agua y de energía. La ecuación que representa el balance de energía que se utiliza para estimar el flujo de aire seco necesario para mantener una diferencia de temperatura en la dirección altura del reactor.

Te H ( T w )−H ¿ ¿ Fa ¿ 0=−R0 . Δ H 0−¿

Ecuación del balance de agua en el sistema que se relaciona con el balance de energía evolucionada en forma de calor metabólico

T w −T e ¿ y¿

( 1−ε ) .

dC w = Y w −X ws .Y x . Ro F . ¿ dt o o

(

)

a

b) Ecuaciones termodinámicas para la estimación de los coeficientes de rendimiento que relacionan las diferentes velocidades de cambio en el proceso c) Ecuaciones cinéticas para la descripción de las diferentes velocidades de cambio consideradas en el proceso.

Operaciones unitarias y variables de proceso. La operación unitaria aplicada en este proceso es la fermentación en la cual intervienen variables como    

Concentración de solidos Concentración de agua Flujo de aire Temperatura del aire

Conclusión El esquema matemático utilizado en esta investigación posee aplicaciones particulares y determinadamente termodinámicas que permiten estimar coeficientes de rendimiento de complejo acceso de modo empírico o experimental. Este esquema matemático hace posible representar por medio del lenguaje matemático el comportamiento de las variables con mayor importancia en el proceso, al igual que las de las velocidades de cambio que establecieron una relación con el crecimiento del microorganismo.

Bibliografía Felder,R. Rousseau,R. Principios elementales de los procesos químicos. Gooding, N.. (2009). Balance de materia. Colombia: Universidad Nacional de Colombia. Machuca, D. & Hervàs, M.. (2014). Operaciones Unitarias y Procesos Quìmicos. ic. Muño, V. & Maroto, A.. (2013). Operaciones Unitarias y Reactores Químicos. Madrid: Universidad Nacional de Educación a Distancia. Orozco. (1996). Operaciones Unitarias. México: LIMUSA.

http://www.iib.unsam.edu.ar/php/docencia/licenciatura/biotecnologia/2011/IntroBio/ Clase_Bioprocesos-GOrtiz.pdf http://diposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/12703/1/APUNTS%20DE %20REACTORS%20QU%C3%8DMICS.pdf

H. A. Ruíz-Leza, R. M. Rodríguez-Jasso, R. Rodríguez-Herrera, J. C. ContrerasEsquivel y C. N. Aguilar* DISEÑO DE BIORREACTORES PARA FERMENTACIÓN EN MEDIO SÓLIDO Departamento de Investigación en Alimentos, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila, Unidad Saltillo, Revista Mexicana de Ingeniería Química, ISSN T. Robinson. D Singh. P Nigam. FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO: UNA TECNOLOGÍA MICROBIANA PROMISORIA PARA LA PRODUCCIÓN DE METABOLITOS SECUNDARIOS. VITAE, REVISTA DE LA FACULTAD DE QUÍMICA FARMACÉUTICA ISSN 0121-4004 Volumen 9 número 2, año 2002. Universidad de Antioquia, Medellín - Colombia. págs. 27-36