3. Ecuación general de balance de
masa
Masa
entrante a
través de
los
alrededore
s del
sistema
Masa
saliente a
través de
los
alrededore
s del
sistema
Masa
generada
dentro del
sistema
Masa
consumida
dentro del
sistema
Masa
acumulada
dentro del
sistema
4. Balance Diferencial
Para un proceso continuo la información que
se obtiene acerca del mismo se refiere a un
instante de tiempo en particular.
Las cantidades de masa que entra y sale se
especifican en velocidades de flujo de masa.
Un balance de masa basado en velocidades
se le llama balance diferencial.
5. Balance integral
Para procesos en lote, la información de estos
sistemas se obtiene sobre un periodo de
tiempo en lugar de un instante en particular.
En este caso cada término del balance de
masa es una cantidad de masa, no una
velocidad, por lo que se le conoce como
balance integral.
6. Simplificación
Si un proceso continuo esta en estado
estacionario, la acumulación en el lado
derecho será cero.
Debido a que todas las propiedades del
sistema, incluyendo la masa, no deben
cambiar con el tiempo.
Ecuación general de balance de masa de
estado estacionario
Masa
entrada
Masa
generada
Masa salida Masa
consumida
7. Simplificación
En estado estacionario para balances de
masa o cuando no ocurren reacciones, esta
ecuación se simplifica:
Masa
entrada
Masa
salida
8. Ejemplo; Filtración continua
Un caldo de fermentación que contiene células de
Streptomyces kanamyceticus es filtrada utilizando un filtro
de tambor rotatorio. 120 kg h-1 de caldo son alimentados al
filtro. 1 kg de caldo contiene 60 g de células. Para mejorar
las velocidades de filtración, un filtro ayuda de partículas de
tierras diatomeas son añadidas a una velocidad de 10 kg h-
1. La concentración de kanamicina en el caldo es de 0.05%
por peso. El líquido filtrado es obtenido a una velocidad de
112 kg h-1. La concentración de kanamicina en el filtrado es
de 0.045% (p/p). La torta de filtrado que contiene células y
filtro ayuda es continuamente removida de la tela de
filtración.
a) ¿Cuál es el porcentaje de líquido de la torta de filtración?
b) Si la concentración de kanamicina en el líquido de la torta
de filtración es la misma que en el filtrado. ¿Cuánta
kanamicina es absorbida por kg de filtro ayuda?.
9. Suposiciones
Estado estacionarioa
No hay fugas
El filtrado no contiene sólidos
Las células no absorben o liberan kanamicina
durante la filtración.
El filtro ayuda esta seco
La fase líquida, excluyendo la kanamicina, se
considera agua.
10. Ejemplo; Fermentación continua ácido
acético
La bacteria Acetobacter aceti convierte etanol a
ácido acético dentro de condiciones aerobicas. Se
propone un proceso de fermentación continua
para vinagre, utilizando células no-viables de A.
aceti inmovilizadas en la superficie de perlas de
gelatina. El objetivo de la producción es de 2 kg
h-1 de ácido acético, sin embargo la
concentración máxima tolerada por las
células es de 12%. El aire es alimentado al
fermentador a una velocidad de 200 g mol h-1
a) ¿Cuánto es la cantidad mínima de etanol
requerido?
b) ¿Cuál es la cantidad mínima de agua que debe
usarse para diluir el etanol, para evitar la
inhibición por ácido?
c) ¿Cuál es la composición del gas de salida del
fermentador?.
11. Reacciones
C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O
Etanol Ácido Acético
Suposiciones:
. Estado estacionario
. Sin fugas
. Aire de entrada seco
-% volumen del gas = % mol
- no hay evaporación de etanol,
H2O o ácido acético
- conversión completa de etanol
- el etanol es usado por las células
para la síntesis únicamente del
ácido acético
- La transferencia de oxígeno es lo
suficientemente rápida para cumplir
las demandas de las células.
-La concentración de ácido acético
en el flujo de salida es de un 12%
Datos Adicionales
Pesos Moleculares:
Etanol = 46
Ácido acético = 60
O2 = 32
N2 = 28
H2O = 18
Composición del aire.
21% O2 y 79% N2
Compuestos involucrados en la
reacción: etanol, ác. Acético, O2 y
H2O. El N2 no esta involucrado en
la reacción.
12. Producción de Goma de Xantana
Goma de Xantana es producida utilizando Xanthomonas
campestris en cultivo en lote. Experimentos de laboratorio han
mostrado que por cada gramo de glucosa utilizado por la bacteria,
0.23 g de oxígeno y 0.01 g de amoníaco son consumidos, mientras
que 0.75 de goma, 0.09 g de células, 0.27 g de CO2 y 0.13 g de
H2O son formados. Otros componentes del sistema tales como
fosfato pueden ser descartados. Un medio que contiene glucosa y
amoníaco disueltos en 20,000 L de agua, es alimentado a un
fermentador agitado e inoculado con X. campestris. Aire es
alimentado al fermentador, la cantidad total del gas de salida
recuperado durante todo el cultivo es de 1,250 Kg. Debido a la alta
viscosidad y dificultad en el manejo de soluciones de goma de
xantan, la concentración final de la goma no deberá exceder el
3.5% del peso.
a) ¿Cuánta glucosa y amoníaco serán requeridos?
b) ¿Cuál porcentaje de aire es alimentado en exceso?
13. Suposiciones:
Sin fugas, aire de entrada y salida están
secos, conversión de glucosas y NH3 es
completa, CO2 sale en el gas de salida.
15. Todos los átomos de carbono, hidrógeno,
oxígeno, nitrógeno y otros elementos
consumidos durante el crecimiento son
incorporados en células nuevas o excretados
como productos.
16. C, H, O, N cuentan
como de un 90 a 95%
de la biomasa
17. Balance de C: w = c + d
Balance de H: x + bg = cα + 2e
Balance de O: y + 2a + bb = cβ + 2d + e
Balance de N: z + bi = cδ
Coeficiente de Respiración
18.
19. La producción de proteína unicelular a partir
de hexadecano, es descrita por la siguiente
ecuación:
RQ = 0.43
Determine los coeficientes estequiometricos
20. Balances de Electrones
Los electrones disponibles se refiere al
número de electrones disponibles para la
transferencia de oxígeno en la combustión de
una sustancia a CO2, H2O y compuestos que
contengan nitrógeno.
El número de electrones disponibles se
calcula a partir de la valencia
21. Grado de Reducción (γ)
Este es definido como el número de
equivalentes de electrones disponibles en una
cantidad de material que contiene 1 g de un
átomo de carbono.
Para el sustrato CwHxOyNz el número de
electrones disponibles es (4w + x – 2y – 3z)
El grado de reducción para el sustrato (γS)es:
(4w + x – 2y – 3z)/w
C = 4
H = 1
N = -3
O = -2
P = 5
S = 6
22.
23.
24. Electrones disponibles para la
transferencia de oxígeno
En una ecuación de crecimiento balanceada,
el número disponible de electrones es
conservado por el hecho de que las
cantidades de cada elemento químico son
conservados.
Aplicando este principio para el amoniaco
como fuente de nitrógeno, el balance de
electrones disponible es:
wγs – 4a = cγB
Donde γs y γB son los grados de reducción de sustrato
y biomasa, respectivamente.
25. Rendimiento de Biomasa
Existe una relación lineal entre la cantidad de
biomasa producido y la cantidad de sustrato
consumido.
Cuando YXS es constante a través del
crecimiento, su valor determinado
experimentalmente puede ser usado para
determinar el coeficiente estequiométrico c.
PM células = formula de la biomasa en peso más cenizas residuales
26. Estequiometría de Producto
La formación de un producto extracelular
durante el crecimiento puede ser extendido
para incluir la síntesis de producto:
Donde f es el coeficiente estequiométrico del
producto
28. Demanda Teórica de Oxígeno
El oxígeno es frecuentemente el sustrato limitante en
fermentaciones aeróbicas.
La demanda de oxígeno es representado por el
coeficiente estequiométrico a.
El requerimiento de oxígeno esta relacionado
directamente con los electrones disponibles para la
transferencia de oxígeno, la demanda de oxígeno
puede, por tanto, ser derivado de un balance de
electrones:
Donde γP es el grado de reducción del producto
29. Kleibsella aerogenes es producida de glicerol
(C3H8O3) a partir de glicerol en cultivos
aerobicos con amoniaco como fuente de
nitrógeno. La biomasa contiene 8% de
cenizas, 0.40 g de biomasa es producido por
cada g de glicerol consumido, no hay
formación de grandes productos metabólicos.
¿Cuál es el requerimiento de oxígeno para
este cultivo? En términos de masa.
PM glicerol = 92.1
γ del glicerol respecto al NH3 = 4.67
Notas del editor
PM células = formula de la biomasa en peso más cenizas residuales