ESCUELA UNAD
MATERIA BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA.
CATEDRATICO JOSE ENRIQUE SIU MORALES.
GRUPO BI-BBME-1301-000.
ALUMNA LAURA AURORA RAVELL DELGADO. UNIDAD 2
ACTIVIDAD EVIDENCIA DE APRENDIZAJE.
TEMA BALANCE DE ENERGÍA PARA UNA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA.
Lee con atención el texto titulado: Producción de etanol en una fermentación Batch. El texto corresponde a un estudio cinético para la obtención de etanol a partir de la fermentación alcohólica empleando (5 g/L) de inóculo Saccharomyces uvarum ATCC 26602 y glucosa como sustrato. En el documento se proporcionan datos de control, es indispensable que los identifiques los parámetros cinéticos (rendimientos etanol/glucosa, biomasa/glucosa).
Operaciones unitarias: Velocidad de crecimiento específica máxima. Concentración máxima de biomasa. Concentración máxima de etanol. Velocidad de producción de etanol máxima. Rendimiento de etanol en glucosa. Rendimiento de biomasa en glucosa. En la fermentación alcohólica, característica de muchas especies de levaduras, ente ellas la Saccharomyces uvarum, la reacción comienza con una molécula de azúcar de seis carbonos (glucosa) y termina con dos moléculas de alcohol de dos carbonos (etanol), dos moléculas de CO2 y dos moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo:
La secuencia de transformaciones para degradar la molécula de glucosa hasta dos moléculas de alcohol es un proceso complejo. Se utilizó Saccharomyces uvaru, un tipo de levadura altamente floculante. El crecimiento se llevó a cabo en un fermentador Biostat B-2 de Braun Biotechnology, donde todas las aplicaciones necesarias para controlar la fermentación, como bombas de dosificación, agitador de 6 hojas, módulos de medida y control de variables, están combinados en una unidad básica que puede funcionar casi de forma automática. Las condiciones fijadas para llevar a cabo la fermentación fueron; mantener un pH igual a 7.0 y una temperatura de 25°C en ausencia de aire, es decir, en un medio anaeróbico. La composición del medio de cultivo por 1 litro fue: 250 gr glucosa 10 gr extracto de levadura Oxoid 6.4 gr de urea 1.2 gr de KH2PO4 0.18 gr de Na2HPO4 10 ml de una solución A 10 ml de una solución B La solución A contenía las siguientes trazas de metales: 5.6 gr de CaO 2.0 gr de ZnO 27.0 gr de FeCl3*6H2O 5.0 gr MnCl2*4H2O 0.85 gr CuCl2*2H2O 1.2 gr CoCl2*6H2O 0.3 gr de H3BO3 65 ml de HCl concentrado 5:1 con agua destilada. La solución B contenía: 50.5 gr de MgO 225 ml de HCl concentrado a razón 5:1 con agua. Se empieza con la colonias de levadura fueron tomadas de tubos de cultivo y se transfirieron a un matriz Erlenmeyer esterilizado, el cual este contenía 100 ml con 10% glucosa. Después de 24 horas agitando la mezcla a 25°C, se transfirió al fermentador que contenía 900 ml del medio de cultivo, el Nitrógeno gaseoso se introdujo al fermentador por 3 horas antes y después de la inoculación para mantener la anaerobiosis. El cultivo se mantuvo agitado
suavemente para mantener un cultivo homogéneo durante todo el proceso. El pH se mantuvo controlado a un valor de 7.0 con la adición automática de NaOH 4M. Para mantener la temperatura a 25°C y reducir la evaporación de etanol se recirculó agua por la doble camisa del fermentador. En lo que se refiere en el proceso de métodos analíticos se tomaron muestras de 10 ml del fermentador a intervalos de tiempo durante 48 horas para determinar el peso seco de la biomasa. La cantidad de glucosa fue estimada usando el método del ácido dinitrosalicílico. Para la estimación del etanol, se siguió el procedimiento desarrollado por Sawyer y Dixon. Para poder modelar la variación de las concentraciones de biomasa, glucosa y producto en el tiempo a partir de una tabla de datos discretos se realizó una regresión polinómica de segundo grado para el caso glucosa y de tercer grado para biomasa y etanol. Luego, utilizando estas curvas se calcularon los parámetros de fermentación pedidos en el intervalo 0-50 horas, usando las ecuaciones: Velocidad de crecimiento específica máxima.
El cual se obtuvo máx = 0,690 [h]-1 en t = 0 Concentración máxima de biomasa.
El cual se obtuvo que la concentración máxima de biomasa [B]máx = 8,23 [gr/l] en t = 37,02 [h]. Concentración máxima de etanol.
El cual se obtuvo que la concentración máxima de etanol [E]máx = 88,13 [gr/l] en t = 43,27 [h]. Velocidad de producción de etanol máxima.
El cual se obtuvo que la velocidad de producción de etanol máxima d[E]/dt máx = 2,78 [gr/lh] en t= 14,27 [h]. Rendimiento de etanol en glucosa.
El cual se obtuvo que el rendimiento de etanol en glucosa se comporta de la siguiente manera en el tiempo:
Rendimiento de biomasa en glucosa.
El cual se obtuvo que el rendimiento de biomasa en glucosa se comporta de la siguiente manera:
Aasi que el modelo matemático utilizado tiene determinada exactitud. Los polinomios permiten diferenciar sin mayor dificultad y los cálculos matemáticos se limitaron a encontrar raíces cuadráticas y cúbicas. Los datos tienen sentido: una población de levaduras en crecimiento a medida que consume glucosa, la utiliza y libera al fermentador su producto metabólico, es decir, el etanol. Por otro lado, a medida que el alimento se va agotando y aumenta la concentración del alcohol el ambiente alcanza poco a poco su capacidad de carga al estancarse el crecimiento de Saccaromyces uvarum e incluso disminuir por dos factores: la falta del azúcar y la toxicidad del etanol. Los parámetros de fermentación muestran que existe una explosión reproductiva en la población al comienzo pues el ambiente es rico en nutrientes y no es tóxico. En los rendimientos permiten intuir las siguientes relaciones; la eficiencia metabólica de una colonia disminuye a medida que va aumentando la biomasa; se va liberando cada vez más etanol al metabolizar la misma cantidad de glucosa. Además revisa el documento “Fermentación alcohólica: Una opción para la producción de energía renovable a partir de desechos agrícolas” de igual manera identifica los parámetros de proceso que se plantean en el articulo. Con ésos antecedentes realiza una propuesta de un proceso para obtener alcohol, empleando como sustrato la melaza de caña. Deberás hacer las siguientes consideraciones: Características químicas de la sacarosa: La sacarosa finamente dividida es higroscópica, es decir, cambiada o alterada por la absorción de humedad y puede absorber hasta un 1% de humedad. Los ácidos y la invertasa hidrolizan la sacarosa en glucosa y fructosa. Es fermentable pero resisten la descomposición bacteriana altamente concentrada. Carbono, hidrógeno y oxígeno forman el compuesto de sacarosa cuando se combinan. Características químicas de la glucosa. La composición química de la glucosa es seis átomos de carbono, 12 átomos de hidrógeno y seis átomos de oxígeno, lo que constituye una molécula de azúcar, y su fórmula es C6H12O6. La glucosa es un azúcar simple monosacárido. Enlaces de alta energía hacen que la molécula de glucosa permanezca unida hasta que el enlace se rompa y libere energía. Características de la caña de azúcar La caña de azúcar es una planta proveniente del sureste asiático. El jugo de su tronco es la principal fuente de azúcar. Prácticamente el 70% del azúcar del mundo se produce a partir de la caña.
Su cultivo es propio de zonas tropicales y subtropicales, y necesita de abundante agua y suelos adecuados para crecer bien. Mediante la fotosíntesis puede absorber hasta el 2% de la energía solar que recibe, para convertirla en un 14% a 17% de sacarosa y 14% a 16% de fibra. El periodo de crecimiento de la caña de azúcar toma entre 11 y 17 meses, dependiendo de la variedad de la caña y la zona de cultivo. La planta retoña varias veces y se puede seguir cortando. Debe renovarse cada siete a diez años con nuevos retoños porque su riqueza se deteriora con el tiempo. Composición de la caña de azúcar
Componentes Materia seca Azúcares Lignocelulosa Materia a bioetanol Cenizas y otros comp. Agua Total:
Tallos % 29.00 15.43 12.21 27.64 1.36 71.00 100.00
Cogollos y hojas % 26.00 2.18 19.80 21.98 4.02 74.00 100.00
Composición química del bagazo de caña Análisis Bagazo entero seco % Celulosa 51.23 Hemicelulosa 24.11 Lignina 20.67 Cenizas y otros compuestos 3.99 Suma: 100.00
Proceso de producción Usualmente en los ingenios de azúcar, después de la producción del jarabe por concentración del jugo de la caña, se aplican hasta tres cristalizaciones de las que se va retirando el azúcar. Cada
proceso de cristalización es seguido por una separación de los cristales de sacarosa del llamado licor madre o miel, mediante centrifugación. Así, la primera etapa de cristalización y centrifugación permite obtener el azúcar A y la melaza A. Luego esta melaza es sometida a nueva cristalización y centrifugación, resultando el azúcar B y la melaza B. Finalmente, de modo análogo, se produce el azúcar C y la melaza C. Se puede obtener bioetanol a partir del jugo de caña o de las melazas B y C. En el primer caso, todo el jugo de caña se destina a la producción de bioetanol, mientras que en los dos siguientes, se obtienen azúcar y bioetanol.
Entradas al proceso de producción. Para producir alcohol etílico se puede seleccionar cualquier producto que contenga azúcares o carbohidratos fácilmente transformables en azúcar fermentable. La melaza: Se aplica el término de melaza al efluente final que se obtiene de la preparación del azúcar mediante una cristalización repetida. La formación de melazas se presenta cuando cesa la cristalización del azúcar; este cese en la cristalización puede deberse a: Disminución del grado de cristalización que depende tanto de la velocidad a la que son transportadas las moléculas de azúcar disueltas a la superficie de los cristales como al grado de integración a la red de cristales. Influencias mutuas de la solubilidad en el sistema: agua-azúcar-sales o componentes no azúcares. Composición de las melazas de caña. Las melazas están compuestas generalmente de azúcares, compuestos no azucarados, compuestos orgánicos y agua, análisis que corresponde a un promedio general ya que la composición de dichas melazas depende de las condiciones de producción del azúcar de la industria de donde provienen.
El total de azúcares comprende azúcares fermentescibles y azúcares no fermentescibles. Los azúcares fermentescibles corresponden aproximadamente al 45% en peso de la melaza pero varía dependiendo de la región, de la variedad de caña y del ingenio del cual proviene. Los azúcares totales corresponden a un 70% de sacarosa y un 30% de azúcar invertido. Composición media de las melazas de caña CONSTITUYENTE % Agua 20 Azúcares 62.0 No azúcares 10.0 Constituyentes 8.0 inorgánicos TOTAL 100.0 Los no azúcares son materiales nitrogenados, ácidos libres y combinados y sustancias gomosas solubles. Constituyentes inorgánicos de la melaza COMPUESTO COMPOSICION % SiO2 0.5 K2O 3.5 CaO 1.5 Residuos de 1.6 Sulfatos SO3 Cloruros 0.4 MgO 0.1 P2O5 0.2 Na2O 0.1 Fe2O3 0.1 TOTAL 8%
Las melazas contienen siempre compuestos en suspensión de composición variable y en cantidades variables, dependiendo estas de las condiciones del proceso en el cual se han visto anteriormente involucradas. Entre ellos están: a) Constituyentes de la materia prima, que han pasado inalterados por todas las etapas de fabricación del azúcar y que no pueden eliminar en forma económica. Forman parte de ellos los llamados no-azúcares perjudiciales o no-azúcares coloides en suspensión.
b) Constituyentes que se originan durante el proceso de fabricación o que se transforman de tal modo que llegan finalmente a las melazas, por ejemplo los productos de degradación de los azúcares y de las proteínas en forma insoluble. c) No azúcares que se vuelven insolubles durante los procesos de concentración y cristalización como consecuencia de sus bajas solubilidades en soluciones altamente concentradas. Composición química de las melazas utilizadas en la Industria de Licores del Valle PROPIEDAD % Humedad 15 Proteínas 3.2 - 3.8 Azúcares totales 50 - 58 Cenizas 3.5 - 7.5 K (K O) .08 - 2.2 P 0.05 - 0.1 Ca 0.15 - 0.8 Mg 0.25 - 0.8 Fe 0.001 - 0.01
Requisitos de la melaza para fabricación de etanol. ICONTEC GRADO 1 GRADO 2 REQUISITO % peso % peso Nitrógeno. Máximo 1.4 Azúcares totales. Mínimo 48 48 Cenizas 12 12 NaCl. Máximo 0.5 Humedad. Máxima 24 Grados Brix. Mínimo 85 79.5
Propiedades fisicoquímicas de la melaza que afectan el proceso de fermentación para la obtención de alcohol etílico. Calor específico: Depende de la temperatura, la concentración y la composición; Su valor disminuye al aumentar las concentraciones impuras de azúcar y aumenta linealmente con la temperatura. Esta propiedad es importante en el proceso de fermentación en la transferencia del calor. Viscosidad: Varía por la calidad de la materia prima y en el contenido de sólidos; se ve muy influenciada por la temperatura. A medida que esta es mayor la viscosidad de la melaza disminuye; y la concentración de azúcares, al ser muy alta, aumenta el grado de viscosidad haciendo de la melaza un producto de difícil manejo. Esta propiedad es muy importante en el proceso por el transporte y bombeo que se requiere para empezar el proceso de fermentación. El alto grado de viscosidad de las melazas determina dificultades en su manipulación y crea problemas de tipo mecánico en la extracción de los envases, en el vaciado de los carros tanques donde es transportada y en el transporte del producto por tuberías con o sin bombas. Levaduras: El nombre genérico de levaduras se aplica a una multitud de microorganismos, los cuales tienen de común el carácter de clorofila y ser unicelulares y microscópicos. Se encuentran muy difundidos en la naturaleza, en mayor abundancia en las capas que están a nivel del suelo, en el polvo, sobre las frutas en general, en la superficie de hojas y flores de diversas plantas, en los terrenos de huertas y viñedos de donde pueden difundirse por acción de los vientos y de los insectos. El papel de la levadura en el proceso es fundamental ya que realiza el trabajo de descomposición o degradación de los azúcares presentes en la materia prima para obtener el producto que se desea y de las calidades requeridas. Realizan también el proceso de fermentación, que es el alma y nervio del proceso, y por lo tanto se exige un control riguroso en su manejo, tanto en el aspecto biológico como químico y físico, pues se está tratando con seres vivos y cualquier alteración de sus características incide notablemente en la cantidad y calidad del producto final. BIBLIOGRAFÍA http://www.bioenergeticos.gob.mx/index.php/bioetanol/prouccion-a-partir-de-cana-de-azucar.html
Hola Laura Tu actividad no corresponde a las instrucciones de la actividad, te sugiero que las revises y notarás que te piden propongas un proceso de fermentación alcohólica a partir de melaza de caña mediante un proceso de fermentación por lote basándote en los artículos citados además a la actividad 2 de a misma unidad. Se te dan las condiciones que el proceso habrá de tener y te requieren realices los balances de masa y energía. A continuación te doy algunas sugerencias para realizar la actividad. Primero te sugiero realices un diagrama del proceso, te incluyo una sugerencia.
Melaza 75°Bx
Fluido calentamient o salida
Torre Destilación Fluido de enfriamiento entrada
Tanque preparación 24°Bx
Pasteurizador
Fluido de calentamiento entrada
Fermentador
Pasteurizador
Fluido de enfriamiento salida
Este es un esquema del proceso planteado, de aquí tienes que hacer varios balances: • En el tanque de preparación hay que calcular cuanta melaza a 75°Bx utilizarás y cuánta agua, además considerar, (no calcular pues no tenemos elementos para hacerlo) que requieres energía para bombeo de fluidos así como de agitación. • Para pasar el mosto ya preparado por el pasteurizador requieres pasteurizarlo todo en cuando mucho una hora, (que es el tiempo máximo para llenar el fermentador), por lo que éste paso dimensionará la capacidad del pasteurizador, por tanto tienes que calcular: o El flujo de entrada y salida al pasteurizador para pasar 20m 3 en 1 hr. o La cantidad de calor que hay que transferirle para calentarlo hasta 80°C y con que lo vas a hacer, (normalmente agua caliente a unos 95°C, más caliente es difícil de manejar porque tiende a hacerse vapor en las tuberías o cavitar) o La cantidad de calor que hay que remover para lograr enfriarlo a 20°C, y con que se va a hacer, (agua fría o una solución refrigerante, (propilenglicol-agua). o De la selección de fluidos tanto de calentamiento o enfriamiento dependerá los flujos de entrada y salida. • El fermentador, aquí toma como modelo lo que hiciste en la actividad 2, así se requiere o Propón a que concentración de etanol se terminará, por ejemplo 8 o 9°GL. o De ahí podrás calcular la sacarosa consumida o El calor generado por la bioconversión y que requerirás disipar o Dado que el proceso durará 18 hrs calcula el tamaño del inóculo para lograrlo, puedes suponer que la concentración de biomasa termina entre 12 y 15 g/l o La cantidad de sacarosa residual • Por último podrías (la actividad no lo requiere por tanto es opcional) estimar la energía requerida para separar por destilación el etanol hasta 96°GL, calculando cuánta agua se evaporará. Analiza mis sugerencias ny trata de seguirlas para realizar tu actividad.
Sí tienes alguna duda o comentario por favor házmelo saber. Quedo al pendiente de tu respuesta. Saludos E.Siu
