Balance de energía para bioprocesos

1. Balance de energía para
bioprocesos
Ing. C. Mabel Luna
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Ingeniería de los Bioprocesos

2. Energía y vida
Los seres vivos tienen la capacidad
de gastar y almacenar energía
Energía: Capacidad de realizar
trabajo
Trabajo: Uso de la energía para
realizar un proceso

3. Trabajo biológico

4. Seres vivos: sistemas abiertos
Intercambian energía con su medio
Son sistemas particulares porque los procesos ocurren a:
Temperatura = cte
Presión = cte.
Volumen = cte.

6. Almacenamiento de la energía
https://youtu.be/EumHRnLPkoM

10. ¿Por qué varia la entalpia?
Cambio de fase
Cambio de temperatura
Mezcla o disolución
Bio - reacción

11. OBSERVACIONES

13. Balance de calor- casos especiales
Nutriente Producto
Aire
Gases
Evap. agua
Ws
Mezcla
Rx
𝑚 ℎ + 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝 𝑒𝑛𝑡𝑟. − 𝑚 ℎ + 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝 𝑠𝑎𝑙. −𝑄 + 𝑊𝑠 = ∆𝐸
Cuando Ec y Ep son despreciables:
𝑚 ℎ 𝑒𝑛𝑡𝑟. − 𝑚 ℎ 𝑠𝑎𝑙. −𝑄 + 𝑊𝑠 = ∆𝐸

14. Balance de calor- casos especiales
𝑚 ℎ + 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝 𝑒𝑛𝑡𝑟. − 𝑚 ℎ + 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝 𝑠𝑎𝑙. −𝑄 + 𝑊𝑠 = ∆𝐸
Cuando Ec y Ep son despreciables y proceso FEES
ℎ 𝑒𝑛𝑡𝑟. − 𝑚 ℎ 𝑠𝑎𝑙. −𝑄 + 𝑊𝑠 = 0
Cuando Ec y Ep son despreciables , proceso adiabático
ℎ 𝑒𝑛𝑡𝑟. − 𝑚 ℎ 𝑠𝑎𝑙. +𝑊𝑠 = ∆𝐸

15. Variación de la entalpía
• Por cambio de temperatura (calor sensible)
∆𝐻 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇
1. ¿Cuál es la variación de entalpia de 170 gr. de acido propiónico 70 °C y 1 atm.
Tomando como referencia 25 °C y 1 atm?
Datos:
T1 = 25 °C
T2 = 70 °C
M: 170 gr
∆𝐻 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑇
De tabla B5
Cp (20-137)= 0.560 cal/g °C
∆𝐻 = 170 𝑔𝑟 ∗ 0,560
𝑐𝑎𝑙
𝑔𝑟. °𝐶
70 − 25 °𝐶
∆𝐻 =

16. Variación de la entalpía
• Por cambio de fase
∆𝐻 = 𝑚∆𝐻𝑣 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 −−− −𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
∆𝐻 = 𝑚∆𝐻𝑠 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 −−− −𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
∆𝐻 = 𝑚∆𝐻𝑓 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 −− −𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
¿Cuando va de vapor a sólido ---------condensación?
2. Se condensan 50 gr. de benzaldehido (vapor) a 179 °C. Calcular la entalpía del
líquido.
∆𝐻 = − 𝑚∆𝐻𝑣
Datos:
T = 179 °C
M: 50 gr Tabla
𝑇 = 179 °C
hv = 38.40 KJ/mol
Hc = - 38.40
Pm =106.12
∆𝐻 = 50 𝑔𝑟 ∗ (−38.40)
𝐾𝑗
𝑚𝑜𝑙
1 𝑚𝑜𝑙
106.12 𝑔𝑟
∆𝐻 = −18.09 Kj

17. Variación de la entalpía
𝐻 = 𝐻𝑎 + 𝐻𝑏 + ∆𝐻𝑚 Calor integral de mezcla
∆𝐻𝑚 ∶ 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 T, [ ]. Mientras mas diluida ,….se alcanza un valor
asintótico
Calor integral de mezcla a dilución infinita
∆𝐻𝑚: Biochemical engineering and Biotechnology handbook
𝐷𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑎 <0.3% peso (Doran)
3. Se disuelven 20 g. de ácido malónico en 5 Kg. de agua a 25 °C. Cúal es la entalpía
de disolución?
• Mezcla o disolución
∆𝐻𝑚: 4,493 Kcal/mol

18. 3. Se disuelven 20 g. de ácido malónico en 5 Kg. de agua a 25 °C. Cúal es la entalpía
de disolución?
Datos:
M ácido = 20 gr.
M agua= 5000 gr
T2 = 25 °C
Datos:
H agua 25 °C = 0.
H acido 25 °C = 0.
Datos:a dilución infinita
∆𝐻𝑚 25°C= 4.493 Kcal/ mol
20
5020
= 0.004
𝐷𝑖𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑎 <0.3% peso (Doran)
Δ𝐻=𝐻𝑎+𝐻𝑏+ 4.493 Kcal/mol * (1 mol/104 gr)*20 =

19. 4. En el proceso de recuperación del ácido glucónico, el caldo de fermentación
concentrado con un contenido de 20% en peso de ácido glucónico, se enfría en un
cambiador de calor antes de su cristalización. Para ello 2000 Kg/h de líquido que está a
90 °C se deben enfriar hasta 2 °C. Para esto se requiere de 2700 Kg/h de agua que se
encuentra a 6 °C y sale a 50 °C. Suponga que la capacidad calorífica del ácido glucónico
es de 0,35 cal/gr °C. ¿Cuánto calor se pierde hacia los alrededores?
Caso : Enfriamiento en el proceso de recuperación del producto
Base: 1 hora
2000 Kg
90°C
20% acido
2000 Kg
2°C
2700 Kg
6C
2700 Kg
50 °C
El caldo solo esta formado por acido y agua
Q

20. 2000 kg 2000 kg
90 °C 6 °C
20 % ácido 20 %
400 kg acido 400 kg
1600 agua 1600 kg
2700 kg 2700 kg
2 °C 50 °C
entradas salidas
𝑚 ℎ 𝑒𝑛𝑡𝑟. − 𝑚 ℎ 𝑠𝑎𝑙. −𝑄 + 𝑊𝑠 = ∆𝐸
𝑚 ℎ 𝑒𝑛𝑡𝑟. − 𝑚 ℎ 𝑠𝑎𝑙. = Q
𝑚𝑎𝑐ℎ𝑎𝑐 (90°C) + 𝑚𝑎gℎ𝑎g (90°C) + maghag (2°C) - 𝑚𝑎𝑐ℎ𝑎𝑐(6°C) - 𝑚𝑎gℎ𝑎g (6°C) -
maghag (50°C) = Q
macha 90 macha 6 49392 KJ
maghag90 maghag6 562720 Kj
maghag 2 maghag 50 -542430
69682
Q 69682 KJ/h

21. ¿Acido glucónico?

22. Calor perdido por paredes QP :
Se pierde Calor por las paredes del Fermentador y Fondo
h: Coeficiente de convección de la pared al aire
h: f (velocidad másica del aire)
h = av b J. Perry
h: 1 – 5 BTU/ h.pie2 °F
A = πT2/ 4 + πT HL 5 – 25 Kcal/ h.m2 °C
∆ T = TF – Ta
Entonces: Qs: Calor retirado para mantener temperatura constante en el sistema
QP = h A ∆ T
Qs = (QF + QA) V – QP
T
TF
Ta
QP
HL

23. • Serpentín
• Intercambiadores de calor externa
• Lluvia Externa (collarín)
• Chaquetas 50-100 litros/ 1000-2000 litros (punto límite donde la
chaqueta llega a ser inadecuada)
Sistemas de enfriamiento del agua de refrigeración:
• Torres de enfriamiento
• Equipos de refrigeración
Doble tubo
Casco y tubos
De Placas o platos

24. Ecuación de Diseño del Serpentín
QS: alto
UD:
∆ T:
QS= UD AS ∆ T
Pequeños
A: grandes
Qs
AS=
UD ∆ TLog

25. (∆ Ti )media log= (tF – t2) – (tF – t1)
ln tF – t2
tF – t1
Valores de Trabajo de UD = 400 – 1000 Kcal
h.m2°C
tF 30 °C
t2
26°C
t1
17°C

26. Con AS Longitud de tubería (m lineales) Número de vueltas del serpentín (n)
L = AS
2π r
n = L
2π (R2+K2)1/2
Aproximación: K ̴ 0
CASO: En laboratorio para Fermentadores pequeños (calentar)
r = A ≠ cte
V
r = 4
T
L
r R
K