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Unidad 2. Balance de materia y energía
Actividad 1. Balance de materia de un bioproceso específico
A través del desarrollo de la presente actividad, podrás realizar un diagrama de flujo,
expresar las cantidades en unidades adecuadas, llevar a cabo el análisis de grados de
libertad y estimar la velocidad de flujo másico de una destilación relacionada con un
bioproceso de generación de bioetanol.
1. Lee el siguiente caso de estudio con mucha atención.
Caso de estudio:
El bioetanol es un excelente combustible, ya que puede ser mezclado con gasolina o Ingeniería en bioprocesos I
Ciencias de la Salud Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Biotecnología 49
quemarse puro en motores de encendido por chispa, ligeramente modificados. Un
litro de etanol contiene alrededor del 66% de la energía suministrada por un litro de
petróleo y mezclado con gasolina para el transporte, mejora el rendimiento de esta
última. La mezcla de combustibles fósiles con alcohol etílico reduce las emisiones de
CO2 y óxidos de nitrógeno (NOX), por lo que favorece la preservación del ambiente.
Además, en comparación con la gasolina, contiene sólo una cantidad mínima de
azufre; por lo tanto, en su combustión produce menos emisiones de óxidos de azufre
(SOX), componentes carcinogénicos de la lluvia ácida (Alarcón, 2010).
El bioetanol es el producto de fermentación alcohólica de diversos materiales
orgánicos a través de la acción de microorganismos (Hernández, 2007). Para ello,
sus células utilizan las moléculas de los sustratos, generalmente carbohidratos y
lípidos, como fuentes de energía.
La glucosa necesaria para que las células de los microorganismos, como las
levaduras como las del género Saccharomyces, efectúen la fermentación
alcohólica, puede provenir de diversas fuentes, tales como:
a) Materias primas con azúcares de disponibilidad inmediata. Son aquellos
con alto contenido de azúcares. Por ejemplo: la caña de azúcar, la remolacha
azucarera, los jugos y residuos de frutas.

b) Materiales amiláceos. Son aquellos con altas concentraciones de almidón.
Por ejemplo: la papa, la yuca, el maíz, trigo, arroz, entre otros.
c) Materiales lignocelulósicos. Son aquellos con altos contenidos de celulosa y
hemicelulosa. Dentro de este grupo se encuentran los restos de poda, los
residuos agroindustriales y de la industria del papel, etc.
Para la producción de bioetanol a partir de materias primas con azúcares de
disponibilidad inmediata, se suele utilizar la levadura Saccharomyces cerevisiae, ya
que aprovecha la sacarosa del sustrato para su conversión a glucosa y/o fructosa,
monosacáridos fácilmente asimilables, con la consecuente producción de etanol y
dióxido de carbono.
೦ ೦ ೦ ೦
Sacarosa Agua Glucosa Fructosa
೦ ೦ ೦
Glucosa/fructosa Etanol Dióxido de carbono
Para la producción de bioetanol a partir de azúcares sencillos, se requieren las
siguientes etapas:
Ingeniería en bioprocesos I
1. Acondicionamiento
2. Tratamiento fisicoquímico
3. Fermentación
4. Eliminación de humedad e impurezas
Cuando el bioetanol se ocupa para mezcla con gasolina, es necesario que esté
exento de humedad, ya que el agua, incluso en pequeñas cantidades, produce la
separación de las fases de la mezcla, lo que reduce el rendimiento del motor, por lo
tanto, la etapa de eliminación de humedad e impurezas es de suma importancia
durante el procesamiento.
Para ello, una mezcla líquida (agua-etanol) que contiene 55% de etanol y 45% de
agua por masa, se alimenta a una columna de destilación. La corriente de salida de
producto que sale por la parte superior de la columna (producto ligero) contiene 98
mol% de etanol y la corriente de producto que sale por la parte inferior contiene 5%
del etanol alimentado a la columna (lo cual implica que el 95% del etanol sale con el

producto ligero). La velocidad de flujo volumétrico de la corriente de alimentación es
2,000 L/h y la densidad de la mezcla es de 0.88 kg/L.
2. Con base en la información anterior, elige y anota la base de cálculo que
permita el planteamiento del balance de materia de la etapa del bioproceso
descrito en el caso de estudio.
3. Realiza el diagrama de bloques de la etapa del bioproceso descrito en el caso
de estudio.
4. Identifica y escribe las incógnitas del bioproceso.
5. Identifica y escribe el número de ecuaciones independientes del proceso.
6. Realiza el análisis de grados de libertad.
7. Calcula:
a) La velocidad de flujo másico de la corriente de producto ligero.
b) La velocidad de flujo másico de la corriente de producto que sale por la parte
inferior.
c) La composición (fracciones másicas) de la corriente de producto que sale por
la parte inferior.
8. Con base en la actividad realizada, emite un criterio acerca de los siguientes
puntos:
a) Etapas fundamentales para el correcto planteamiento del balance de materia
en un bioproceso.
b) La información necesaria para la determinación y análisis de los grados de
libertad en bioprocesos con y sin reacción.
c) La importancia de la homogeneidad en dimensiones en un planteamiento del Ingeniería en bioprocesos I
balance de materia en un bioproceso.
9. Guarda tu documento en formato .ZIP con la nomenclatura
BIBPI_U2_A1_XXYZ. Súbelo a la base de datos para compartirlo con tus
compañeros. Consulta la Escala de evaluación para ver los criterios con que
será evaluada tu actividad.
10. Revisa el trabajo, de al menos dos, de tus compañeros y retroaliméntalos de
manera objetiva y respetuosa.
11. En caso de haberlas, atiende las observaciones que realicen tus compañeros y

facilitador.
Actividad 2. Balance de energía de un bioproceso específico
A través del desarrollo del presente ejercicio, realizarás el cálculo del calor de reacción
para la generación de un producto biotecnológico y el balance de energía del
bioproceso involucrado.
1. Lee con atención el siguiente caso:
Caso de estudio:
La biodigestión anaerobia es un proceso biológico efectuado en ausencia de
oxígeno, donde los sustratos (materia prima) son convertidos en biogás por un
consorcio de microorganismos (Chynoweth et al., 2001).
El biogás, que es una mezcla de gases, tiene la siguiente composición por masa:
metano (CH4) 65%, dióxido de carbono (CO2) 30%, sulfuro de hidrógeno (H2S)
0.1%, nitrógeno (N2) 2.7%, hidrógeno (H2) 1.2% y oxígeno (O2) 1%. Dicha mezcla
gaseosa, se emplea para calentar agua e impulsar una turbina para generar
electricidad. Ingeniería en bioprocesos I
900 kg/h de vapor impulsan la turbina. El vapor entra a dicha turbina a 46 atm y
450°C con una velocidad lineal de 80 m/s y sale en un punto 7 m por debajo de
está, a presión atmosférica y velocidad de 340 m/s. La turbina aporta trabajo de
flecha a razón de 80 kW, y las pérdidas de calor de la misma se estiman como
104
kcal/h.

2. Con base en la información anterior:
a) Determina la velocidad de flujo másico de la corriente.
b) Calcula el cambio de energía cinética de la corriente.
c) Determina el cambio de energía potencial de la corriente.
d) Determina el calor y trabajo transferidos.
e) Escribe la forma adecuada del balance de energía.
f) Realiza el cálculo del cambio de entalpía de la corriente.
g) Calcula el cambio de entalpía específica.
3. Con base en la actividad realizada, emite un criterio acerca de los siguientes
puntos:
a) Las etapas fundamentales para el correcto planteamiento del balance de
energía de un bioproceso con y sin reacción.
b) La homogeneidad en dimensiones en un planteamiento del balance de
energía.
4. Crea un documento en un procesador de textos en el que incluyas la información
previamente solicitada.
5. Consulta la Escala de evaluación para ver los criterios con que será evaluada tu
actividad.
6. Guarda tu documento en formato .ZIP con la nomenclatura BIBPI_U2_A2_XXYZ
y envíalo a tu facilitador (a) mediante la sección de tareas para que lo revise y te
retroalimente.
Autoevaluación
Como parte de la unidad dos debes realizar una autoevaluación. A continuación se
presentan diez cuestionamientos, los cuales debes responder de acuerdo a tu criterio y
a lo aprendido en esta unidad.
1. En este tipo de bioproceso, la alimentación se carga al comienzo del proceso y,
transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido total.
a) Bioproceso intermitente
b) Bioproceso continuo
c) Bioproceso en estado estacionario
d) Bioproceso semicontinuo
2. Muestran lo que sucede en un bioproceso en un instante determinado de tiempo.

a) Balances integrales
b) Balances diferenciales
c) Balances complementarios de materia y energía
d) Balances en estado estacionario
3. Permite expresar de forma consistente las unidades de todas las variables
conocidas y desconocidas implicadas en el bioproceso.
a) Base de cálculo
b) Ajuste de escala
c) Grados de libertad
d) Diagrama de bloques o de flujo de proceso
4. Se obtiene cuando todas las corrientes se multiplican por un factor común, sin
alterar las fracciones másicas.
a) Base de cálculo
b) Cálculo de los grados de libertad
c) Ajuste de escala
d) Diagrama de bloques o de flujo de proceso
5. Relaciona el número de incógnitas (nincógnitas) y de ecuaciones independientes
(necuaciones) que permiten dar solución a un balance de materia de un bioproceso.
a) Base de cálculo
b) Ajuste de escala Ingeniería en bioprocesos I
c) Diagrama de flujo del bioproceso
d) Cálculo de los grados de libertad
6. En este tipo de sistemas, existe intercambio de materiales y de energía con el
entorno.
a) Sistemas cerrados
b) Sistemas abiertos
c) Sistemas aislados
d) Sistemas adiabáticos

7. Es una función de estado que se emplea para designar al calor absorbido o liberado
por un sistema durante una reacción química o bioquímica, a presión constante.
a) Entalpía
b) Entropía
c) Energía libre
d) Cambio de estado
8. Son aquellas propiedades que dependen de la cantidad de materia.
a) Propiedades químicas
b) Propiedades físicas
c) Propiedades extensivas
d) Propiedades intensivas
9. Permite calcular el valor de los cambios de entalpía y/o de la energía interna,
cuando no sabe dónde está el cero de una variable.
a) Conversiones de unidades
b) Ecuaciones diferenciales
c) Diagramas de proceso
d) Sistema de referencia
10. De acuerdo a la primera ley de la termodinámica, estos sistemas abiertos tienen la
forma entrada = salida:
a) Sistemas cerrados en estado estacionario
b) Sistemas abiertos
c) Sistemas aislados en estado estacionario
d) Sistemas abiertos en estado estacionario
Evidencia de aprendizaje. Balance de materia y energía de un
bioproceso específico
A través del desarrollo del presente ejercicio, podrás realizar el balance simultáneo de
materia y energía de una operación de deshidrogenación de bioetanol, obtenido por
fermentación alcohólica de azúcares.
1. Lee con atención el siguiente caso:

Caso de estudio:
El bioetanol es el producto de fermentación alcohólica de diversos materiales
orgánicos a través de la acción de microorganismos (Hernández, 2007).
La glucosa necesaria para que las células de los microorganismos, como las
levaduras como las del género Saccharomyces, efectúen la fermentación
alcohólica, puede provenir de diversas fuentes, tales como:
a) Materias primas con azúcares de disponibilidad inmediata.
b) Materiales amiláceos.
c) Materiales lignocelulósicos.
El bioetanol es un excelente combustible, ya que puede ser mezclado con gasolina o
quemarse puro en motores de encendido por chispa, ligeramente modificados. Otra
forma de aprovecharlo, es para la producción de acetaldehído a través de una
deshidrogenación.
೦ ೦ ೦ ೦ ೦
La reacción de deshidrogenación del bioetanol se realiza introduciendo la
alimentación a 300°C.
La alimentación contiene 90.0 mol% de etanol y el balance de acetaldehído y entra al
reactor a razón de 150 mol/s.
Para evitar que la temperatura descienda demasiado y entonces la velocidad
disminuya a un nivel bajo inaceptable, se transfiere calor al reactor. Cuando la
velocidad de adición de calor es 2,240 kW, la temperatura de salida es 253°C.
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2. Con base en la lectura:
a) Realiza el análisis de grados de libertad basado en especies atómicas.
b) Plantea el balance de C.
c) Plantea el balance de H.
d) Investiga los CP necesarios para el cálculo de entalpías específicas
relacionadas con el caso de estudio.
e) Considerando que 푄 ೦ , calcula las entalpías específicas utilizando
especies moleculares.
f) Calcula el ೦ del proceso.
3. Justifica porque se consideran sólo 2 balances individuales de materia de
especies atómicas.
4. Con base en la actividad realizada, emite un criterio acerca de la importancia del
planteamiento simultáneo del balance de materia y energía de un bioproceso.

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