Este documento trata sobre el balance de energía para bioprocesos. Explica que los seres vivos intercambian energía con su medio y son sistemas abiertos que funcionan a temperatura y presión constantes. También describe cómo los seres vivos almacenan energía y cómo varía la entalpía debido a cambios de fase, temperatura y mezcla o disolución. Finalmente, presenta ejemplos numéricos para calcular la variación de entalpía en diferentes procesos biológicos.

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