Curso PROCESOS QUÍMICOS
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E S P E C I A L ID ID A D : P R O C E S O S Q U Í M I C O S Y METALÚRGICOS. SEMESTRE: 2011-II
Actividad industrial 2
MATERIAS PRIMAS
PRODUCTOS
INDUSTRIA QUÍMICA
Actividad industrial 2
MATERIAS PRIMAS
PRODUCTOS
INDUSTRIA QUÍMICA
Producción de nitrobenceno 3
Las reacciones químicas y su utilidad industrial: Reactantes
•
Energía de activación •
Catalizadores
•
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Rendimiento óptimo 5
Es calculado como porcentaje de cantidad de producto producido en relación a la cantidad de reactivo utilizado para producirlo. Reacciones de producción del H2SO4 2 SO2 + O2
2 SO3
SO3 + H2O
H2SO4
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¿Dónde se realizan las reacciones químicas? 8
En los reactores químicos. Estos son continuos y de tipo batch
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Reactor continuo
Es el método empleado en la producción de alto tonelaje; por ejemplo, los productos cloro y amoníaco (muy importantes industrialmente) se fabrican de esta manera.
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¿Qué tipo de productos se obtienen en la fabricación? 11
- Productos químicos básicos - Productos intermedios (derivados de los básicos) - Productos finales (que se obtienen tras diversos procesos químicos)
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Sectores de la industria química 14
-Productos inorgánicos básicos (ácidos, álcalis, sales...). - Productos orgánicos básicos (materia primas para cauchos, resinas, plásticos...). - Fertilizantes y pesticidas. - Plásticos, resinas, gomas sintéticas... - Productos farmacéuticos. - Pinturas, barnices y lacas. - Jabones, detergentes, limpiadores, cosméticos, perfumería... - Productos químicos diversos: pulimentos, explosivos, tintes, película fotográfica...
Reacciones orgánicas
a) de Adición, cuando dos 15 compuestos químicos se unen para formar un compuesto único como producto de la reacción.
b) de Eliminación, es lo inverso a la reacción anterior. Aquí, una molécula bajo ciertas condiciones se escinde o divide dando como producto dos especies químicas nuevas.
c) de Sustitución o desplazamiento, donde dos moléculas intercambian parte de ellas generando 16 así dos nuevas moléculas productos.
d) de reordenamiento o transposición. Aquí, una molécula sufre una alteración en su estructura sin perder su composición original, es decir, sus átomos se reordenan de diferente manera.
e) Oxidación - Reducción (Redox). Una disminución en el número de átomos de H 17 enlazados al carbono y un aumento en el número de enlaces a otros átomos como C, O, N, Cl, Br, F y S, indican que hay oxidación. Ejemplos:
Reacciones inorgánicas 18
¿Cómo clasifica la ISIC (International Standard Industrial Classification of Economic Activities) la industria química? 19
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Aspectos de la Biotecnología 21
¿Qué es la fermentación?
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Es un proceso que realizan muchos microorganismos, efectuando reacciones sobre algunos compuestos orgánicos y liberando energía. En condiciones fermentativas solamente se efectúa una oxidación parcial de los átomos de carbono del compuesto orgánico y, por consiguiente, sólo una pequeña cantidad de la energía potencial disponible se libera.
El proceso de fermentación no sólo incluye la desasimilación anaeróbica 23 como la formación de alcohol, butanol-acetona, ácido láctico, etc., sino también la producción industrial de vinagre, ácido cítrico, enzimas, penicilina etc..
¿Cuáles son las reacciones de fermentación según el agente? 24
Fermentación microbiana Reacciones enzimáticas
¿Cómo ocurre la fermentación microbiana? 25
Promovidas o catalizadas por microorganismos. La reproducción de los microorganismos conlleva a que la reacción tenga un comportamiento autocatalítico siendo la concentración de los microorganismos variable. Dentro de este tipo de reacción hay 2 clases bien definidas: Cultivos de tejidos o macroorganismos (células vegetales y animales). Reactores microbianos en sí (cultivo de microorganismos).
¿Cómo se clasifican las reacciones de fermentación según el consumo de O2? 26
Aeróbicas: Aquí los microorganismos necesitan de oxígeno para poder sobrevivir. Por ejemplo la reacción de transformación de la glucosa O2 + C6H12O6 CO2 + BIOMASA
Anaeróbicas
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Aquí los microorganismos no necesitan de oxígeno para su supervivencia. Por ejemplo la reacción de transformación de la glucosa por vía glucolítica: C6H12O6 2C2H5OH + CO2 + ENERGÍA
¿Cuáles son las materias primas para los procesos de fermentación? 28
Materias amiláceas: tales como los cereales que contienen almidón, tubérculos y raíces. Materias celulósicas: tales como madera y sus residuos. Materias azucaradas: como los mostos y jugos de diferentes frutas, como la caña de azúcar, remolacha y subproductos de la industria azucarera como melazas y mieles.
¿Cuál es la composición de la chancaca? 29
¿Qué microorganismos son importantes en la fermentación? 30
Las levaduras, que actúan es una clase muy particular de substancias, los azúcares.
¿Qué características tienen las levaduras? 31
Las levaduras pertenecen a una gran clase denominada hongos que también, incluye mohos, midius y tizones de frutas. Los hongos son un grupo que no tienen clorofila, tienden a ser multicelulares y bastante complejos. Se encuentran en muchas formas: esféricas, rectangulares, tetraédricas, etc., y generalmente oscilan entre los 2 y los 15 µm de diámetro, aunque las células cilíndricas llegan hasta 30 µm de longitud.
¿Cómo se reproducen las levaduras? 32
Por gemación o por producción de esporas, lo mismo que los hongos superiores, aunque el mecanismo es más simple.
En la gemación el núcleo de la célula se duplica y uno de los núcleos se introduce en la yema que comienza a formarse. La yema con el tiempo se separa formando un nuevo individuo.
¿Cómo es el metabolismo de las levaduras? 33
Todas las levaduras metabolizan los alimentos, el substrato, por respiración, es decir, por la reacción de oxidación. Substrato + O2
xCO2 + yH2O
Algunas levaduras (una pequeña minoría) también tienen la habilidad de alcanzar una forma anaeróbica de metabolismo que puede producir el etanol. Podemos representar esta reacción por: Substrato
mC2H5OH + nC02
Estas dos reacciones compiten, aunque la primera libera mucha más energía, pero al excluir el oxígeno, la reacción de fermentación puede hacerse dominante causando la exclusión virtual de la reacción de oxidación. El agente que promueve la fermentación no es realmente la levadura sino la enzima. En este caso es la hidrolasa.
Reacciones 34
Substrato simple
Productos de fermentación
¿Cuáles son las características de la fermentación? 35
Velocidad de fermentación Resistencia al alcohol Rendimiento Resistencia Medio de dilución
¿Cómo determina la velocidad de fermentación? 36
Midiendo la cantidad de azúcar fermentada en la unidad de tiempo por un peso dado de levadura; esta debe ser alta para evitar riesgos de contaminación.
¿Qué es la resistencia al alcohol? 37
Una levadura de alta resistencia al alcohol presenta grandes ventajas técnicas y biológicas, la cual permite obtener mostos con gran riqueza alcohólica. Mejora la potencia de la instalación, consiguiendo una destilación económica, puesto que habrá menos consumo de combustible. Su actividad fermentativa permite una concentración de 8-9% de alcohol en volumen.
¿Qué es el rendimiento? 38
Es la relación entre el alcohol producido y el azúcar puesto a disposición de la levadura, teóricamente por 100 Kg de melaza se obtienen 33 litros de alcohol. Se calcula el alcohol teórico producido si toda la glucosa y sacarosa presente en el mosto se transforman en etanol.
¿Qué es la resistencia ácida? 39
Además de la resistencia al alcohol, la levadura debe poseer resistencia a la acidez, ya que este parámetro se aumenta en ocasiones para combatir infecciones, igualmente debe resistir los cambios de temperatura.
¿Qué es el medio de dilución? 40
El medio de dilución es generalmente agua, aunque se utilizan otros solventes que no reaccionen químicamente con el medio.
¿Cuáles son variables de la fermentación alcohólica y sus efectos en el proceso? 41
Clase de microorganismos Concentración del sustrato Concentración del etanol Temperatura pH Concentración de nutrientes Aireación
¿Qué clase de microorganismos son utilizadas para procesos de fermentación? 42
Los microorganismos más apropiados para la producción de etanol a partir de azúcares son, las levaduras del género saccharomyces y kluyveromyces y las bacterias zymomonas mobilis.
Saccharomyces
¿Cómo influye la concentración del sustrato? 43
El carbono es suministrado por los azúcares contenidos en la materia prima, siendo la concentración de azúcar un valor que se debe considerar ya que afecta la velocidad de la fermentación, el comportamiento y el desarrollo de las células de la levadura. Suele ser satisfactoria una concentración de azúcar del 10 al 18%, el valor más corriente es del 12%.
¿Cómo influye la concentración del etanol? 44
La levadura es afectada en alto grado por la concentración de alcohol, una concentración alcohólica del 3% ya influye sobre el crecimiento; una concentración de un 5% influye tanto sobre el crecimiento como en la fermentación.
¿Cómo influye la temperatura? 45
Esta variable es influenciada tanto por factores fisiológicos como por problemas físicos (pérdidas debidas a la evaporación de etanol al trabajar con temperatura elevada). Se debe tener en cuenta que para cada levadura existe una temperatura óptima de desarrollo, en la cual se muestra activa.
¿Cómo influye en pH? 46
El control de la contaminación bacterial como también al efecto en el crecimiento de las levaduras. En la velocidad de fermentación y en la formación de alcohol. Durante la fermentación la levadura toma el nitrógeno de los aminoácidos orgánicos, perdiendo su carácter anfótero y pasando a ácidos, lo cual origina una disminución del pH del medio. El crecimiento de la saccharomyces cerevisiae se encuentra entre 4.4 - 5.0, con un pH de 4.5 para su crecimiento óptimo.
¿Cómo influye la concentración de nutrientes? 47
La presencia de sustancias nutritivas adecuadas es una condición necesaria para el crecimiento y desarrollo de la levadura, siendo su concentración un factor primordial en la actividad vital de la levadura. Las principales sustancias nutritivas y las más influyentes son el nitrógeno, fósforo, azufre, vitaminas y trazas de algunos elementos.
¿Cómo influye la aireación? 48
El aire es un factor decisivo en toda fermentación, ya que su presencia hace más vigoroso el crecimiento de la levadura. Hay tres puntos de vista de gran importancia que favorecen el rendimiento debido a una buena aireación: El libre y constante abastecimiento de oxígeno de cada célula en el sustrato. La eliminación rápida del CO 2, porque en concentraciones relativamente pequeñas inhibe el crecimiento.
¿Cuáles son las fases de la fermentación? 49
Fase lag Fase temporal de aceleración Fase de crecimiento c recimiento exponencial Fase estacionaria Fase de muerte Utilidades y ventajas de la fermentación
¿Qué es la fase lag? 50
Fase de inactividad de duración variable vari able ya que depende del número de células así como de las características características metabólicas de las mismas. Grandes fases fases lag indican indican la presencia de sustancias tóxicas, muerte de células o inactividad de éstas.
¿Qué es la fase temporal de aceleración? acel eración? 51
No ha sido definida matemáticamente pero en ellas las proporciones de las células hijas tienden a alcanzar el 50% de la población total.
¿Fase de crecimiento exponencial? 52
Allí crecen los microorganismos rápidamente y el crecimiento de la población depende del sustrato inicialmente colocado (melaza).
¿Qué es la fase estacionaria? 53
Aquí ya se ha alcanzado el máximo valor de producción, en esta fase algunas células se dividen y otras mueren donde las células vivas utilizan los compuestos provenientes de las muertas como nutriente, manteniendo la población constante durante la fase.
¿Qué es la fase de muerte? 54
Dado que la población celular presente no se mantiene por sí misma comienza a morir. Tiene un comportamiento exponencial. Muchos procesos en cochada se terminan antes de que inicie esta fase.
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Alcohol 56
El alcohol de grano, se produce y se vende en dos formas. La primera de estas es el alcohol con impuesto, como la cerveza, el vino y otras bebidas alcohólicas, y el alcohol usado para ciertos productos como el extracto de vainilla y los productos farmacéuticos.
Alcohol industrial 57
La primera forma es completamente desnaturalizada y contiene substancias como la metil-isobutil cetona y el querosén, que son muy difíciles de remover del etanol y que convierten la mezcla en algo por completo impotable. El alcohol industrial se puede producir por fermentación de una gran cantidad de substancias que contienen azúcar, como melazas, cereales, frutas, papa, remolacha, suero, celulosa hidrolizada y licores sulfitados.
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Fermentación de melazas 59
Las melazas deben ser diluidas hasta alrededor de un 15% en peso de azúcar, para hacer una solución fermentable, y todo se hace en un tanque de mezcla. Se agrega suficiente ácido sulfúrico para ajustar el pH entre 4,0 y 5,0 y en el caso de melazas de alta calidad se agregan nutrientes en forma de sulfato de amonio.
Fermentación de melazas 60
Esta mezcla constituye el mosto ya éste se le agrega la cantidad necesaria de levadura que ha crecido en una cuba de levadura. La levadura constituye alrededor del 5% del volumen total cargado al fermentador. La fermentación se lleva a cabo a 750°F y se mantiene así durante cuatro días. La temperatura es un factor crítico, ya que la levadura muere por exceso de calor. Como la fermentación es exotérmica, el fermentador, que generalmente es una vasija de acero inoxidable, se enfría por riego o se coloca en una unidad de refrigeración.
Fermentación industrial de alcohol 61
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¿Qué es el glutamato monosódico? 63
Glutamato Monosódico (GMS) es la sal sódica del aminoácido más abundante en la naturaleza: el ácido glutámico que junto con el mineral sodio forman un componente muy importante presente en muchos alimentos ricos en proteínas tales como el queso, carnes, pescado, leche y algunos vegetales.
¿Qué es el glutamato monosódico? 64
Se usa como resaltadores del sabor alrededor del mundo desde hace más de 100 años atrás. Los alimentos que tienen un alto contenido de glutamato como los tomates y el queso, son ingredientes apreciados en muchas cocinas del mundo debido a su propiedad de resaltar el sabor.
Producción de glutamato monosódico 65
Problema de Fermentación 66
En la fermentación anaerobia de granos, la levadura Saccharomyces cererivae digiere glucosa de origen vegetal para formar los productos etanol y ácido propenoico mediante las reacciones globales: C6H12O6 C6H12O6
2 C2H5OH + 2 CO2 2 C2H3COOH + 2 H2O
(1) (2)
En un proceso por lotes un tanque se carga con 4000 kg de una disolución de glucosa en agua al 12%. Durante la fermentación se produce 120 kg de CO 2 y se quedan 80 kg de glucosa sin reaccionar. ¿Cuáles son los porcentajes en peso del alcohol etílico y ácido propenoico que quedan en el caldo?. Suponga que los microorganismos no asimilan nada de glucosa.
Base de cálculo: 4000 kg de disolución de glucosa en agua 67
Resolución del problema 68
MC6H12O6=180; MC2H5OH = 46; MH2O = 18; MC2H3COOH = 72; MCO2= 44
Balance de materia de los componentes: Planteando para las ecuaciones:
Balance de glucosa: 0,12 (A) =B (0) + glucosa consumida en (1) + glucosa consumida en (2) + glucosa sin reaccionar 0,12 x 4000 =
245,5 +
M2
+ 80
M2 = 154,5 Kg
Con el valor de M2 se puede calcular la cantidad de ácido propenoico, de la ec. (2): Masa de ácido propenoico =
123,6 Kg
Agua formada en la reacción (2): 30,9 Kg
Agua en A + Agua formada en reacción (2) = Agua en C 69
Balance de agua 70
0,88 x 4000 + 30,9
Balance de alcohol etílico
Según la ec.(1) alcohol etílico producido = 125,5 Kg
= C x ag = 3550,9 kg
Con todos los valores obtenidos podemos construir el cuadro de masa y determinar las concentraciones en masa de cada componente.
