Procesos y Operaciones Unitarias I
Ingeniería Ambiental
UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA F.A.I.C.A. ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL
PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIAS AMBIENTALES I PRÁCTICA N° 2: MODELACIÓN AMBIENTAL UTILIZANDO HERRAMIENTAS DE BALANCE DE MATERIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO (ENE) Caso: Fotosíntesis y productividad primaria en Elodea sp. ALUMNA: ANA LUCIA TRILLO ALARCON
AREQUIPA-2016
Procesos y Operaciones Unitarias I
Ingeniería Ambiental
MODELACIÓN AMBIENTAL UTILIZANDO HERRAMIENTAS DE BALANCE DE MATERIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO (ENE) Caso: Fotosíntesis y productividad primaria en Elodea sp.
ABSTRACT The present report intends to put into practice the interpretation, analysis and evaluation of the behavior of a biotic factor in a
closed
environmental
system,
ENVIRONMENTAL MODELING USING MATERIAL BALANCE TOOLS IN NONSTATIONARY (ENE)
differentiating the process in a first phase
Case: Photosynthesis and primary productivity in Elodea sp.
NADH, in the second phase called the dark
which will be luminous this depends on sunlight and converts this light energy into chemical energy In the form of ATP and phase uses the chemical energy obtained in the luminous phase and the CO2 obtained from
RESUMEN
the
air;
The
behavior
of
an
environmental system in the phenomenon of
El presente informe pretende poner en
photosynthesis
práctica
y
plants in a closed environmental system will
evaluación del comportamiento de un factor
also be described. The use of material balance
biótico en un sistema ambiental cerrado,
will measure the ability, ability and ability to
diferenciando el proceso en una primera fase
mathematically model a non-steady state
la cual será luminosa esta depende de la luz
(ENE) system in addition to the ability to use
solar y convierte esta energía lumínica en
computational tools such as the MS-Excel
energía química en forma de ATP y NADH, en
spreadsheet.
la
interpretación,
análisis
la segunda fase denominada fase oscura utiliza la energía química obtenida en la fase luminosa y el CO2 obtenido del aire; también se describirá el comportamiento de un sistema ambiental en el fenómeno de la
Keywords:
of
phototrophic
Balance
of
aquatic
matter,
photosynthesis, productivity, carbon dioxide, luminous phase, dark phase.
OBJETIVOS
fotosíntesis de plantas acuáticas fototroficas en un sistema ambiental cerrado. El uso de balance de materia medirá la capacidad, habilidad
y
destreza
de
modelar
matemáticamente un sistema en estado no estacionario (ENE) además de la habilidad en la
utilización
de
herramientas
computacionales como la hoja de cálculo MS-
Objetivo Principal: Modelar matemáticamente el sistema
ambiental utilizando herramientas de balance
de
materia
en
estado
estacionario (ENE)
Objetivos específicos:
Excel.
1. Analizar el sistema ambiental cerrado Palabras
Clave:
fotosíntesis,
Balance
productividad,
de
materia,
dióxido
de
carbono, radiación electromagnética, análisis.
cuando se generan dos condiciones de trabajo utilizando luz del espectro electromagnético oscuridad.
VIS
y
completa
Procesos y Operaciones Unitarias I
Ingeniería Ambiental
2. Elaborar perfiles de variación gráficos utilizando la hoja de cálculo MS-Excel.
Para llevar a cabo este proceso se ocupa alguna planta acuática, como ejemplo la
3. Hallar la glucosa neta producida
Elodea sp., planta de agua dulce que libera
grandes cantidades de oxígeno, posee hojas pequeñas y delgadas, los cloroplastos de la elodea
INTRODUCCIÓN
presentan
observándolos
una
al
forma
esférica
microscopio,
y
su
La tierra y los ecosistemas son la principal
característico color verde generado por la
fuente de materia aprovechada por el
presencia de clorofila.
hombre. El sol es la fuente principal de energía para que esos ecosistemas sean
Los balances de masa se basan en la ley de la
productivos, es así que con la ayuda de la
conservación de la materia, que establece
fotosíntesis se puede lograr esto.
que la materia no se crea ni se destruye. Los balances de masa son utilizados en el diseño
La fotosíntesis es definida como un proceso
de un nuevo proceso o en el análisis de uno ya
en virtud del cual los organismos con clorofila,
existente. Los procesos químicos pueden
como las plantas verdes, las algas y algunas
clasificarse en intermitentes, continuos o
bacterias, capturan energía en forma de luz y
semi intermitentes y como estacionarios (en
la transforman en energía química es decir es
régimen permanente) o transitorios.
un proceso físico-químico, se trata de un proceso fundamental para la vida sobre la tierra y tiene un profundo impacto sobre la atmósfera y el clima terrestres: cada año los organismos
con
capacidad
fotosintética
MATERIALES Y MÉTODOS Reactivos y materiales de laboratorio:
convierten en carbohidratos más del 10% del
Elodea sp.
conocimiento básico de este proceso es
Bicarbonato de sodio
esencial para entender las relaciones entre los
Agua destilada
seres vivos y la atmósfera, así como el balance
Vaguetas
dióxido
de
carbono
atmosférico.
El
de la vida sobre la tierra. Este proceso consta de dos fases importantes; la fase luminosa también llamada foto dependiente, porque se da sólo en presencia de luz, ocurren dos procesos bioquímicos necesarios para la síntesis de glucosa: la reducción de NADP a NADPH.H con los
Equipos:
Balanza analítica
Oxímetro
Agitador magnético
Pastilla de agitación
Lámpara de luz blanca o amarilla de 100 W
hidrógenos de la molécula de agua y la síntesis de ATP y en la fase oscura también llamada fase de fijación de CO2 se trata de un conjunto de reacciones que se denominan reacciones del carbono o metabolismo del carbono en la fotosíntesis,
Erlenmeyer
Paño negro opaco
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Procedimiento Se colocaron 400 ml. de agua destilada en el Erlenmeyer
y
disolvimos
1.5
gr.
de
bicarbonato de sodio en el mismo.
Imagen 3. Preparación del sistema
Una vez que el sistema se encontró listo, iniciamos con la recolección de datos; empleando el siguiente procedimiento:
Encendimos el oxímetro de forma
Imagen 1. Dilución de bicarbonato de
que marcase la lectura inicial de OD
sodio en el Erlenmeyer.
(mg/l.).
Procedimos a agregar la planta acuática
Encendimos el agitador magnético
Elodea sp. (4 ramitas), luego colocamos la
para
pastilla de agitación y cerramos cuidando que
mezclado perfecto en el sistema.
el sensor del oxímetro se encontrase por lo
completamente
inundado;
pudiese
proveer
el
Encendimos la lámpara, la cual aportó máxima luminosidad al sistema.
menos 1 cm. arriba de la pastilla de agitación y
que
quedando
totalmente hermético.
Imagen 4. Sistema completo
Registramos los datos de OD durante 7 minutos (420 segundos) e inmediatamente
Imagen 2. Sistema cerrado
cubrimos el sistema con un paño negro opaco
herméticamente.
y apagamos la lámpara, de modo que la Posteriormente colocamos el sistema armado
especie vegetal acuática se encontrase en
anteriormente
encima
del
agitador
total oscuridad; y de esta manera registramos
magnético
iniciamos
la
agitación.
los datos de OD en esta condición por 7
e
Seguidamente localizamos la lámpara en
minutos.
frente del sistema de forma que la bombilla entregue luz directa.
Por último, apagamos el agitador magnético y el oxímetro utilizados finalizando de esta manera
el
trabajo
experimental
e
introducimos los datos obtenidos en ambas
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condiciones (fase luminosa y fase oscura) en
Tabla N° 2. Registro de datos
el Spread-sheet (hoja de cálculo de Excel). e d n
e
id ci
ni
OD inicial ,
d a s
RESULTADOS
s io
Con el Spread-sheet se obtiene datos para la generación de la pendiente la cual es
d
o m n o C
mg.O2 /l. lu
OD final, mg.O2 /l.
Cambio total en OD, ΔOD
Luz directa
7.75
14.58
6.83
observara si estos datos cumplen con la
Oscuri dad
14.54
12.46
-2.08
adecuada
de
un
e
dOD/d t, mg.O2 / l.min
sistema
n
dOD/d t, mg.O2 / l.s
mg.O2 /l.
indicadora del cambio total de OD y se descripción
s oi c a vr e s b O
1.013 7 0.368 7
0.016 9
NPP rate / positivo
-0.006
R rate / negativo
ambiental en el fenómeno de la fotosíntesis.
Tabla N° 3. Producción primaria bruta y
A continuación, se dan los resultados:
producción primaria neta de oxígeno
Tabla N° 1. Registro de datos de OD en un
npp
6.83
mg.O2 / l.
tiempo determinado para las fases luminosa y
r
2.08
mg.O2 / l.
gpp
8.91
mg.O2 / l.
GPP
0.021214286
mg.O2 / l.s
R
0.004952381
mg.O2 / l.s
oscura. FASE
TIEMPO, min
OD,mg.O2/l. 7.75
NPP
0.016262
mg.O2 / l.s
1
8.93
0.0199
mg.gluc / l.s
O
2
11.81
GLUCOSA NETA PRODUCIDA
3
12.51
L
M
4
12.52
Gráfica N°1. Fase Luminosa. Perfil de OD
S
5
14.67
(mg./l) versus tiempo (min)
6
14.68
7
14.58
0
14.54
1
14.6
R
2
14.11
S
C
3
12.53
E
4
12.35
F
5
12.25
6
12.47
7
12.46
A
S
O
U
A
F
A
E
U
NI
S
A
0
FASE LUMINOSA 18 16 14 ) l 12 / g 10 m ( 8 D O 6
y = 1.0137x + 8.6333 R² = 0.8851
4 2 0 0
2
4
6
Tiempo (min) Fase Luminosa Linear (Fase Luminosa)
8
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Gráfica N°2. Fase Oscura. Perfil de OD (mg./l)
Gráfica N°4. Fase Oscura. Perfil de OD (mg./l)
versus tiempo (min)
versus tiempo (s)
FASE OSCURA
FASE OSCURA
16
16
14
14
12
12
) 10 l / g m 8 (
) 10 l / g m 8 (
y = -0.3687x + 14.454 R² = 0.7388
D O 6
4
4
2
2
0
0 0
2
4
y = -0.0061x + 14.454 R² = 0.7388
D O 6
6
8
0
100
Tiempo (min) FASE OSCURA
200
300
400
500
Tiempo (s)
Linear (FASE OSCURA)
Gráfica N°3. Fase Luminosa. Perfil de OD
FASE OSCURA
Linear (FASE OSCURA)
Resultados de las tablas
(mg./l) versus tiempo (s)
FASE LUMINOSA 18 16 14 ) l 12 / g 10 m ( 8 D O 6 4 2 0
y = 0.0169x + 8.6333 R² = 0.8851
0
100
200
300
400
500
Tiempo (s)
La variación de OD en la fase luminosa fue 1.0137 mg.O2/l, mientras que en la fase oscura fue de - 0.3687 mg.O2/l. La productividad primaria bruta (GPP) en el sistema fue de 0.02121429 mg.O2/l.s La producción primaria neta (NPP) de oxígeno es 0.0162619 mg.O2/l.s La cantidad de oxígeno que se produce en el tejido vegetal vascular es 0.00495238 mg.O2/l.s Esta es la cantidad que se consume. La glucosa neta producida es 0.0199 mg.O2/l.s
FASE LUMINOSA Linear (FASE LUMINOSA)
CONCLUSIONES
Mediante este modelamiento se puede predecir la cantidad de glucosa neta que se podrá obtener en un tiempo determinado.
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En las condiciones de luminosidad se presenta una variación de OD positiva, lo que indica producción y consumo; mientras que en la fase oscura tenemos una variación negativa, obteniéndose un decaimiento del mismo; por tal, esta pérdida indica que solo se realiza consumo. Se lograron elaborar los perfiles de variación de gráficos al utilizar la hoja de cálculo MS-Excel. La glucosa neta producida es 0.0199 mg.O2/l.s
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Cuaderno de laboratorio de Procesos y Operaciones Unitarias Ambientales I.
Reduca Vegetal.
(Biología). 2
(3):
Serie 1-47,
Fisiología 2009
DE:
http://eprints.ucm.es/9233/1/Fisiologi a_Vegetal_Aspectos_basicos.pdf
https://www.uaeh.edu.mx/scige/boletin/pr epa2/n1/p1.html
