BBME_U2_EA_ROGP

INGENIERÍA EN BIOTECNOLOGÍA

Planteamiento de un balance de energía en un sistema reactivo Evidencia de aprendizaje

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

Con estos antecedentes realiza una propuesta de un proceso para obtener alcohol, empleando como sustrato la melaza de caña. Deberás hacer las siguientes consideraciones:  La materia prima principal es la melaza de caña concentrada con densidad igual a 1.6 veces la del agua y concentración de sacarosa de 75°Brix (75% de peso de sacarosa en volumen)  La fermentación se realizará con un mosto de 20°Brix  El procedimiento de la preparación del mosto se presenta a continuación, la melaza concentrada de diluye en un tanque previo al fermentador, además para disminuir la carga microbiana antes de vaciar dicho mosto al fermentador será necesario pasteurizarlo (lo que se logra mediante un proceso que incluye calentar el mosto de la temperatura ambiente, puedes suponer 20°C, hasta 80°C y enfriándolo rápidamente de nuevo a 20°C). (Nota: considera que el Cp del mosto es 1.5 veces la del agua).  El volumen del reactor es de 20 m3 y requiere ser llenado en un máximo de una hora y se espera que el proceso dure alrededor de 18 hrs.  El tanque de almacenamiento de melaza concentrada está constantemente a 10 m sobre el nivel del tanque de preparación de mosto previo al pasteurizador lo que permite transvasarlo sin necesidad de bombeo.  Para efecto de esta evidencia supón que las características químicas de la sacarosa son iguales a las de la glucosa.

Diagrama de bloques con operaciones unitarias identificadas

Melaza 75 °Brix Dencidad 1.6 g/cm3

Altura 10m

Tanque de preparación 20 ° Brix Mosto 1.5 kcal/kg °C

Torre de destilación

fluido de calentamiento salida

fluido de enfriamiento entrada

Pasteurizador T 20 °C a 80°C

Pasteurizador T 80°C a 20 °C

fluido de calentamiento entrada

fluido de enfriamiento salida

Fermentado r V=20 m3 Llenado 1 hr Proceso 18 hrs

Altura 10m 75 ° Brix ρ=1.6 g/cm3 De melaza Biomasa 5 g/L

 

Qc = Qg

Qc = (75 kg) (Cp) (20°C – 0°C)

1

Qg = (20 kg) (1.5 kcal/kg °C) (20°C – 0°C)

(T 20 °C)

(75 kg) (Cp) (20°C – 0°C) = (20 kg) (1.5 kcal/kg °C) (20°C – 0°C) Tanque de preparación Mosto

2

(1500 kg °C)(Cp) = 600 kg kcal/kg

20 ° Brix de mosto Cp 1.5 kcal/kg °C (T 20 °C)

Cp = 0.4 kcal/kg °C

(Ec final – Ec inicial) + (Ep final – Ep incial) + (U final – U incial) = W + Q (Ec final – Ec inicial) + (Ep final – Ep incial) = W

fluido de calentamiento salida

fluido de enfriamiento entrada

20 ° Brix de mosto

entradas mosto Agua

Cp 1.5 kcal/kg °C

Pasteurizador T 20 °C a 80°C

Pasteurizador T 80°C a 20 °C

fluido de calentamiento entrada

fluido de enfriamiento salida

=

= 20 kg = mosto = 80 kg = agua

Podemos decir que la velocidad de entrada de masa en el sistema de flujo, es igual a la salida, ya que la masa no puede acumularse ni vaciarse dentro del sistema de flujo.

(Ec final – Ec inicial) + (Ep final – Ep incial) + (U final – U incial) = W + Q (U final – U incial) = Q

salidas

Ecuación de balance de energía en el fermentador

Fermentador V20 m3 Llenado 1 hr Proceso 18 hrs T 20 °C Cp 1.5 kcal/kg °C

I. II. III. IV. V.

Acumulación de energía Velocidad de generación de biomasa Generación de energía Diferencia de entalpia de entrada y salida Caudal del calor retirado por chaqueta

(I)

(II)

(III)

(IV)

(V)

Ecuación general de balance de energía para un sistema cerrado (Ec final – Ec inicial) + (Ep final – Ep incial) + (U final – U incial) = W + Q Simplificación de la ecuación general de balance de energía y los tipos de energía en el proceso. La energía potencial Ep = 0 debido a que el sistema no cambia de altura o posición.   La energía cinética Ec = 0 debido a que no hay velocidad de inicio y final   El trabajo W = 0 debido que no se modifican las fronteras del sistema

Entonces la ecuación simplificada queda: (U final – U incial) = Q

Bibliografía 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://facultad.bayamon.inter.edu/yserrano/microbiologia%20industrial/Proceso%20de%20fermentacion.pdf http://www.redalyc.org/pdf/1698/169818107003.pdf http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/1608/Capitulo2.pdf