Ibq 31001 201720_1

FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA
Balances de Materia y Energía 1
Código-Materia: 31001 - Balance de Materia y Energía
Requisito: PRE: Algebra Lineal, Fundamentos de Físico química,
Cálculo de una variable.
Programa – Semestre: Ingeniería Bioquímica – Semestre IV
Período académico: 2017-2
Intensidad semanal: 4 horas semanales.
Créditos: 4
Descriptor:
La asignatura de Balances de Materia y Energía brinda al estudiante la capacidad de aplicar los
principios básicos de análisis y diseño de bioprocesos para la explicación de las secuencias y
diagramas de flujo de procesos químicos y bioquímicos completos y para resolver problemas de
balance de materia y energía asociados a las operaciones unitarias propias de la Ingeniería
Bioquímica.
OBJETIVOS
General
Al finalizar el curso, el estudiante estará en la capacidad de solucionar balances de materia y
energía en operaciones unitarias y procesos propios de la Ingeniería Bioquímica, mediante
métodos de resolución basados en las leyes de conservación.
Terminales:
Al finalizar el semestre el estudiante estará en capacidad de:
 Emplear correctamente el concepto de sistema y alrededores y construir de manera
correcta diagramas de proceso para explicar la interacción entre ambos.
 Resolver correctamente balances de materia alrededor de sistemas de interés,
involucrando tanto operaciones unitarias como sistemas reaccionantes (químicos y
bioquímicos).
 Resolver balances de materia en procesos de múltiples etapas.
 Resolver balances de energía tanto en sistemas cerrados como abiertos en estado estable,
de interés en Ingeniería Bioquímica.
 Identificar el impacto ambiental de las corrientes que intervienen en los bioprocesos
apoyado en la información que brindan los balances de materia y energía.

Específicos
Unidad 1. Introducción.
 Revisar el uso adecuado de las unidades de ingeniería, los cálculos usando dichas
unidades, la conversión a diferentes sistemas de unidades y el concepto de homogeneidad
dimensional.
Unidad 2. Balances de materia.
 Emplear correctamente los conceptos termodinámicos de sistema, alrededores y proceso
en la resolución de problemas de balance de materia.
 Plantear correctamente los balances de materia involucrando los conceptos de sistemas
abiertos, cerrados, por lotes, semi continuos, por lote alimentado y continuos, cuando
éstos apliquen; así como reconocer las implicaciones de casos especiales de corrientes de
flujo como las de reciclo, división, derivación, mezclado y purga.
 Escribir ecuaciones que expresen correctamente la conservación de la masa para sistemas
reaccionantes y no reaccionantes.
 Resolver problemas de balance de materia con y sin reacción.
 Aplicar los principios de la estequiometria para el análisis macroscópico del crecimiento
celular y la formación de producto.
 Evaluar el impacto ambiental de corrientes provenientes de bioprocesos usando los
balances de materia.
Unidad 3. Balances de energía.
 Identificar correctamente las formas de energía involucradas en los bioprocesos.
 Expresar la ecuación general de balance de energía tanto de manera conceptual como
matemática para los bioprocesos.
 Calcular correctamente las propiedades termodinámicas involucradas en el análisis
energético de los bioprocesos y consultar adecuadamente las tablas de datos
termodinámicos usados para dicho análisis.
 Calcular correctamente calores estándar de reacción a partir de calores de formación y de
combustión.
 Calcular balances de energía para sistemas reaccionantes y no reaccionantes.
 Evaluar el impacto ambiental de corrientes provenientes de bioprocesos integrando los
conocimientos de balances de materia y energía.
Unidad 4. Solución de ecuaciones de balance asistida por computador.
 Tener un acercamiento al uso de herramientas computacionales como apoyo para el
diseño y simulación de bioprocesos.

Unidad 5. Balances de materia y energía en estado transitorio.
 Identificar qué tipos de procesos requieren un análisis de estado transitorio.
 Tener un acercamiento al planteamiento de ecuaciones adecuadas que expresen el
concepto de balance en un sistema en estado transitorio.
Contenido Temático
 Revisión de conceptos previos.
 Cálculos en Ingeniería, conversión de unidades.
 Clasificación de los procesos.
 Ley de la conservación de la masa.
 Procedimientos para la solución de balances de materia.
 Balances en procesos de unidades múltiples.
 Balances de materia con reciclos, derivaciones y corrientes de purga.
 Estequiometria de las reacciones químicas.
 Estequiometria de crecimiento celular.
 Balances en sistemas reactivos.
 Reacciones de combustión.
 Formas de energía: primera ley de la termodinámica.
 Procedimientos para el cálculo de entalpía.
 Cambios de entalpía en sistemas no reaccionantes.
 Tablas de vapor.
 Balances de energía en sistemas cerrados.
 Balances de energía en sistemas abiertos en estado estable.
 Tablas de datos termodinámicos.
 Procedimientos para balances de energía.
 Psicrometría.
 Calores de reacción.
 Medición y cálculo de calores de reacción: ley de Hess.
 Calor de reacción para procesos con producción de biomasa.
 Reacciones y calores de formación.
 Calores de combustión.

 Balances de energía en sistemas reaccionantes.
 Ecuación de balance de energía para cultivos celulares.
 Combustibles y combustion.
 ECO-balances. Huella de carbono.
Unidad 4. Solución de ecuaciones de balance asistida por computador.
 Revisión del análisis de grados de libertad.
 Simulación modular secuencial.
 Simulación basada en ecuaciones.
Unidad 5. Balances de materia y energía en estado transitorio.
 Planteamiento de ecuaciones de balance en estado transitorio. Breve discusión.
METODOLOGÍA
Previamente a las sesiones presenciales se darán a conocer los objetivos de aprendizaje y el
material de estudio. Adhiriéndose el modelo educativo de la Universidad Icesi, se cuenta con una
participación activa del estudiante en construir su conocimiento con la guía de la información
suministrada. Las sesiones tienen como objetivo la revisión y unificación de conceptos, la creación
de ambientes de aprendizaje mediante la realización de ejercicios prácticos que permitan verificar
el logro de los objetivos de aprendizaje y la resolución de dudas.
Se apoyará la bibliografía clásica de la asignatura con información de bases de datos académicas
que ilustren la aplicación de los conceptos vistos en el curso. Se expondrán ejemplos prácticos de
aplicación teniendo especial énfasis en los balances de materiales de carácter ambiental.
La evaluación se realizará de manera continua. Semanalmente se realizará un muestreo
evaluativo para realizar el seguimiento al logro de los objetivos, de modo que se cuente con
información, tanto para el docente como para el estudiante, que permita aplicar los correctivos
necesarios al proceso de enseñanza – aprendizaje.
Estas evaluaciones conforman el total de la nota del curso y se realizarán a partir de la semana 2.
Se realizarán 11 evaluaciones cortas (1 hora de duración) diseñadas para obtener información
rápida respecto al logro de los objetivos y realizar la retroalimentación respectiva, cada una con un
valor del 5%, para un 55% de la nota final. El restante 45% se reparte en tres evaluaciones
parciales, para un valor del 15% de la nota para cada una de ellas.
El trabajo en grupo y la participación se promoverán continuamente durante las sesiones de
trabajo.

Actividades del estudiante
Antes de la clase: Construir su conocimiento respecto a los temas de la asignatura programados
para las sesiones de estudio. Una guía la constituyen los objetivos de aprendizaje planteados y el
material de estudio suministrado por el docente.
Para este curso es de alta importancia que el estudiante realice un trabajo constante y profundo
de resolución de problemas de balance de materia y energía de todos los libros citados en la
bibliografía.
Durante la clase: Evidenciar la construcción de su conocimiento mediante la participación activa
en las discusiones y reflexiones respecto a los temas de estudio, expresando sus inquietudes y
asegurándose de resolverlas. Trabajar colaborativamente en las actividades grupales
desarrolladas.
Después de la clase: Profundizar en los temas vistos durante las sesiones, recurriendo a fuentes de
información disponibles. Esto le permitirá identificar dudas a resolver y temas a reforzar.
Llegar a las sesiones de tutoría con dudas concretas de las dificultades encontradas en los
ejercicios hechos en casa.
EVALUACIÓN
Se busca realizar un seguimiento de manera continua para estimular al alumno al estudio
constante de la asignatura durante el semestre, obteniendo información oportuna de
retroalimentación para aplicar los correctivos a que haya lugar en el proceso de enseñanza –
aprendizaje. Los exámenes cortos se diseñan para la obtención de información rápida respecto al
logro de los objetivos. Las evaluaciones parciales y final involucran la revisión de procedimientos y
correcta aplicación de los conceptos adquiridos.
Exámenes Porcentaje Semana de realización
Examen Corto 5% 2
Examen Corto 5% 3
Examen Corto 5% 4
Examen Corto 5% 5
Evaluación Parcial 1 15% 6
Examen Corto 5% 7
Examen Corto 5% 8
Examen Corto 5% 9
Evaluación Parcial 2 15% 11

Examen Corto 5% 12
Examen Corto 5% 13
Examen Corto 5% 14
Evaluación Final 20% 18
Total 100%
BIBLIOGRAFÍA
 Doran, Pauline. Bioprocess engineering principles. Second edition. Elsevier Ltd. 2013.
 Felder, Richard M. y Rousseau, Ronald W. Principios elementales de los procesos químicos.
Tercera Edición. Limusa Wiley. 2013.
 Himmelblau, D. Principios básicos y cálculos en ingeniería química. Sexta edición. Pearson.
2002
 Murphy, R. Introducción a los procesos químicos. McGraw-Hill. 2007.
 Levenspiel, Octave. Fundamentos de termodinámica. Primera edición. Prentice-Hall
hispanoamericana, S.A. 1997.
 Reklaitis, G.V.; Schneider, Daniel R. Balances de materia y energía. McGraw-Hill. 1993.

Cronograma por sesiones
Sesión Temas Unidad Texto bibliográfico
1
Revisión de conceptos previos.
Cálculos de Ingeniería, conversión de unidades.
1
 Murphy, R. Introducción a los procesos químicos.
McGraw-Hill. 2007. Pg 59-67.
2
Clasificación de los procesos.
Ley de la conservación de la masa.
2
 Felder, Richard M. y Rousseau, Ronald W. Principios
elementales de los procesos químicos. Tercera Edición.
Limusa Wiley. 2013. Pg 84-85.
 Doran, Pauline. Bioprocess engineering principles.
Second edition. Elsevier Ltd. 2013. Pg 89-91.
3
Primer examen corto.
Operaciones Unitarias.
2
4 Operaciones Unitarias. 2
5
Procedimientos para la solución de balances de
materia.
2
6 Balances en procesos de unidades múltiples. 2  Felder, Richard M. y Rousseau, Ronald W. Principios

Balances de materia con reciclos, derivaciones y
corrientes de purga.
7
Balances de materia con reciclos, derivaciones y
corrientes de purga (continuación).
Segundo examen corto.
2
8 Estequiometria de las reacciones químicas. 2
9
Tercer examen corto.
Estequiometria de crecimiento celular.
2
10
Estequiometria de crecimiento celular
(continuación).
Balances en sistemas reactivos.
2
11
Reacciones de combustión.
Cuarto examen corto.
2

12
Formas de energía: primera ley de la
termodinámica.
Energías potencial y cinética.
Procedimientos para el cálculo de entalpía.
3
13
Cambios de entalpía en sistemas no reaccionantes.
Tablas de vapor.
3
14 Primer examen parcial.
15
Balances de energía en sistemas cerrados.
Balances de energía en sistemas abiertos en
estado estable.
3
16
Quinto examen corto.
Tablas de datos termodinámicos.
3
17
Tablas de datos termodinámicos (continuación).
Procedimientos para balances de energía.
3

18
Procedimientos para balances de energía
(continuación).
Sexto examen corto.
3
19
Psicrometría.
Cambios de presión a temperatura constante.
Cambios de temperatura.
3
20
Operaciones con cambio de fase.
Mezclas y soluciones.
3
21
Séptimo examen corto.
Calores de reacción.
3
22
Medición y cálculo de calores de reacción: ley de
Hess.
Calor de reacción para procesos con producción de
biomasa.
3
23
Reacciones y calores de formación.
Calores de combustión.
Balances de energía en sistemas reaccionantes.
3

24 Segundo examen parcial. 3
25
Ecuación de balance de energía para cultivos
celulares.
Combustibles y combustión.
3
26
ECO-balances. Huella de carbono.
Octavo examen corto.
3
 Van Hoof, Bart. Producción más limpia. Paradigma de
gestión ambiental. Alfaomega grupo editor. 2008. Pg
129-156.
27
Unidad 4. Solución de ecuaciones de balance
asistida por computador.
Revisión del análisis de grados de libertad.
4
28
Revisión del análisis de grados de libertad
(continuación).
Décimo examen corto.
4
29 Simulación modular secuencial. 4

30
Undécimo examen corto.
Simulación basada en ecuaciones.
4
31
Simulación basada en ecuaciones (continuación).
4
32
Unidad 5. Balances de materia y energía en
estado transitorio.
Planteamiento de ecuaciones de balance en
estado transitorio. Breve discusión.
Conclusiones del curso.
5
34 Evaluación final.

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