Practica 12 BM y E

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Simulación, aplicación y adaptación del caso integrado práctico 12, en base al
bioreactor para Aspergillus Niger
Objetivos
● Aplicar y manejar fundamentos, conceptos y herramientas de balance de masa y energía para
solucionar casos de aplicación en operaciones unitarias (Downstream) en biotecnología e
Ingeniería aplicando la ecuación de conservación de Lavoisier.
● Analizar, construir y simular con propiedad la modelación matemática de sistemas
biotecnológicos de separación y concentración utilizando MS-Excel como herramienta
informática y hoja de cálculo para la simulación numérica.
● Aplicar sólidos conocimientos de balance de materia y energía para resolver casos de
aplicación integrada en balance de masa y balance de energía.
Resumen
El estudiar temas en relación a las operaciones unitarias se encuentran en el diseño, la eficiencia de
cada etapa del proceso, es un equipo donde se incorporan los materiales, los insumos, las materias
primas y la respuesta. Es por ello que para la presente práctica se aplicó una metodología de tipo
experimental enfocado a un caso práctico de operaciones unitarias con aplicación biotecnológica.
En la metodología se tuvo un reactor biológico cuya producción fue de un caldo de fermentación de
ochenta Kg/h (Cp=0,8597 Kcal/Kg.°C) a una temperatura de 47°C que contenía 6,7% de carga fungal
y un 5,1% de sólidos disueltos entre los que se encuentra un antibiótico no esteroideo producido por el
metabolismo microbiano cultivado en el sistema bioreaccionante. Para eliminar la carga microbiana
suspendida se alimentó a una temperatura de 25°C a un filtro que produce una torta con 45% de
humedad y un filtrado que retiene un 0,9% de microorganismo generado por el bioreactor. El uso de
un ICCC con agua fría a 20°C permitió el enfriamiento del caldo fermentado. La torta húmeda se
transporta hacia un secador donde perdía agua y se obtuvo una pasta biológica con 9% de agua.
Finalmente, el filtrado se alimentó a un evaporador que concentraba hasta un 60% de sólidos
suspendidos y disueltos y género un vapor libre de trazas celulares y sólidos. Posterior a ello, se
empleó una modelación del sistema junto con una simulación en MS-Excel en entorno Windows 10.
En conclusión, el número de procesos de operaciones de biotecnología es muy elevado, incluso
superior a los procesos de biotransformación. Tan solo pensar en todas las situaciones en las que se
hace necesario mezclar, airear, separar, calentar. Estos procesos suelen denominarse también
operaciones básicas o unitarias y conforman la base de las operaciones que se realizan en
biotecnología.
Palabras clave: Operaciones unitarias, bioreactor, simulación, modelación, trazas celulares y sólidos.
Abstract
Studying issues in relation to unit operations are found in the design, the efficiency of each stage of
the process, it is a team where materials, supplies, raw materials and the response are incorporated.
That is why for the present practice an experimental type methodology was applied focused on a
practical case of unit operations with biotechnological application.
In the methodology there was a biological reactor whose production was of a fermentation broth of
eighty Kg / h (Cp = 0.8597 Kcal / Kg. ° C) at a temperature of 47 ° C that contained 6.7% fungal load
and 5.1% dissolved solids, including a non-steroidal antibiotic produced by microbial metabolism
grown in the bioreactant system. To eliminate the suspended microbial load, a filter was fed at a
temperature of 25 ° C that produces a cake with 45% humidity and a filtrate that retains 0.9% of the
microorganism generated by the bioreactor. The use of an ICCC with cold water at 20 ° C allowed the
fermented broth to cool. The wet cake is transported to a dryer where it lost water and a biological
paste with 9% water was obtained. Finally, the filtrate was fed to an evaporator that concentrated up to
60% of suspended and dissolved solids and generated a vapor free of cellular traces and solids. After
that, a system modeling was used together with a simulation in MS-Excel in a Windows 10
environment.
In conclusion, the number of biotechnology operations processes is very high, even higher than
biotransformation processes. Just think of all the situations in which it is necessary to mix, aerate,
separate, heat. These processes are usually also called basic or unit operations and form the basis of
the operations carried out in biotechnology.
Keywords: Unit operations, bioreactor, simulation, modeling, cell traces and solids.
Introducción
En el presente experimento de laboratorio se trató el tema de operaciones unitarias las cuales se
pueden definir como un paso básico en un proceso. Las operaciones unitarias implican un cambio
físico o transformación química, como separación, cristalización, evaporación, filtración,
polimerización, isomerización y otras reacciones. Para representar estos pasos de una manera correcta
y asertiva se elaboró un sistema que consta de varias partes las cuales serán ICCC, FRV, SEC y EV.
Para proseguir con la explicación del experimento se tiene que saber conceptos basicos de un sistema
de balance de Materia y Energía, al igual que seguir una ley la cual nos hará entender el cómo este
sistema funciona esta ley se llama la “Ley de conservación de la masa de Lavoisier”, como esta
indica, la masa no de crea ni se destruye se transforma. Por lo que en el paso del siguiente sistema de
operaciones unitarias veremos como la corriente principal entrará al sistema y saldrá el producto que
nosotros queremos encontrar.
Comenzando con el sistema se quiso bajar la temperatura de nuestra corriente 1, para lograr esto es
introdujo un ICCC, es un sistema de tubo contracorriente, este nos ayudará a controlar la temperatura
de nuestra corriente 1, una corriente 2 entrará al sistema con el único objetivo de bajar la temperatura
inicial sin tocar nuestra mezcla, ya que si esto llegara a ocurrir podría a llegar el componente que
queremos llegar a conseguir.
El procedimiento que se utilizó en el presente sistema es muy similar a un proceso de purificación que
utilizará una industria, en el cual se van a utilizar un sistema de purificación, secado y evaporación.
Todas estas instancias ocurrirán en el transcurso de nuestra corriente principal. Nuestra corriente
principal contendrá una parte microbacteriana la cual será el metabolito buscado en el sistema. Tras
que nuestra corriente pasa por el ICCC llega al filtrado que tiene como objetivo separar componentes
sólidos y líquidos de una muestra sólido-líquido.
Tras nuestra corriente pasó por el filtrado o FRV se va a generar un torta, la cual se define como un
componente sólido con cierto porcentaje de humedad, al igual se genera un desecho, que es algo que
no vamos a necesitar en nuestro sistema por lo que pasará al vaporizado para poder desechar lo que no
necesitamos. Por último la torta pasará al secado para poder deshacernos del agua y/o porcentaje de
humedad de nuestra torta. Luego de que nuestra muestra ya fue secada obtendremos el metabolito
puro que queríamos como resultado.
Para realizar todo el análisis de este experimento se empleó una hoja de excel en la cual se elaborará
una tabla para generar un perfil consistente para que a pesar que se cambie datos en la tabla este varía
con ellos y que esté programada para que siempre sirva. Esta tabla se elaboró en una hoja de cálculo
de excel. Y se empleó la ley de conservación de la masa de Lavoisier para poder entender y realizar el
sistema de la mejor manera posible.
Materiales y método
Materiales:
- Caldo de fermentación
- Intercambiador de calor tubular en contracorriente (ICCC)
- Equipo de filtro en torta (FRV)
- Equipo de evaporación (EV)
- Equipo de secado (SEC)
- Hoja de cálculo MS-Excel
Metodología:
El docente de la práctica dispuso un caso integrado de Balance de Materia y Energía, el cual reunió 4
Operaciones Unitarias: Intercambiador de calor tubular en contracorriente (ICCC), equipo de filtro en
torta (FRV), equipo de evaporación (EV) y equipode secado (SEC).
Para la realización del caso integrado se tuvo en cuenta el modelo gráfico y el modelo conceptual.
Modelo conceptual:
1. Un reactor biológico produce un caldo de fermentación de 80 kg/h (Cp=0,8597 Kcal/Kg.°C) a
una temperatura de 47°C.
2. Este reactor biológico contiene 6,7% de carga fungal y un 5,1% de sólidos disueltos entre los
que se encuentra un antibiótico no esteroideo. Producido por el metabolismo microbiano
cultivado en el sistema bioreaccionante.
3. Para eliminar la carga microbiana suspendida se debe alimentar a una temperatura de 25°C a
un filtro que produce una torta con 45% de humedad y un filtrado que retiene un 0,9% de
microorganismo que es generado por el bioreactor.
4. El uso de un ICCC con agua fría a 20°C permite el enfriamiento del caldo fermentado.
5. Por eso la torta húmeda se transporta hacia un secador donde pierde agua y se obtiene una
pasta biológica con 9% de agua.
6. Finalmente, el filtrado se alimenta a un evaporador que concentra hasta un 60% de sólidos
suspendidos y disueltos y generan un vapor libre de trazas celulares y sólidos.
Posterior a la evaluación del caso integrado, se utilizó una Tabla de Información (TI) y una hoja de
cálculo MS-Excel en torno a Windows 10 para simular valores experimentales.
Resultados
El caso práctico fué resuelto utilizando nuestras ecuaciones de:
- Fracciones y porcentaje
𝑥
1
+ 𝑥
2
+ 𝑥
𝑛
= 1 = 100% = %
1
+ %
2
+ %
3
- Flujo total por componentes:
𝑥
1
* 𝐹
2
+ 𝑥
2
* 𝐹
2
... + 𝑥
𝑛
* 𝐹
𝑇
= 𝐹
𝑇
= 𝐹
1
+ 𝐹
2
+ 𝐹
3
= 
𝐹
1 𝑜 2 𝑜 3
*100
𝐹
𝑇
- Lavoisier de Calor:
∑(𝑄
𝑆
* 𝐹
𝐸
) − ∑ (𝑄
𝑆
* 𝐹
𝑆
) = 0
Nuestro sistema es el siguiente:
- Sistema de recuperación de A. Nigger
Imagen: Sistema de caso práctico 12
Fuente: Integración de Balance de materia y Energía en Aplicaciones en Biotecnología (Operaciones
Unitarias), Roque Rodriguez Francisco Javier
Interpretación: Un flujo <1>, con nuestro microorganismo de interés ingresa a un
Intercambiador de calor en contracorriente (ICCC), a la vez que un flujo <3> regula la
temperatura de salida de <1> para trabajar con él en el sistema, una vez regulada se le llamará
flujo <2>, el <3> al cumplir con la regulación saldrá del ICCC como flujo <4>. El flujo <2>
entrará a un Filtro de Rotación al Vapor (FRV), para generar dos flujos <5> y <6>,
denominados Torta y Filtrado respectivamente. <5> se dirigirá a un Secador para generar un
flujo de torta seca (<8>) y agua (<7>). <6> se dirigirá a un evaporador para generar
concentrado (<10>) y vapor (<9>).
Resultados: Aplicando los respectivos balances obtenemos las siguiente tabla:
- Tabla resolución del caso práctico:
Características 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Flujo másico,
Kg/h
80 80 40 40 9.6577 70.3423 3.5596 6.0982 63.8578 6.4845
Denominación Caldo
Entr
Caldo
Alim
Agua
Refrig
Agua
Sald
Torta Filtrado Adsorbi
do
Deshidra
tado
Vapor Concent
rado
Temperatura, °C 47 25 20 57.8268 25 25 60 60 25 25
Presión, atm 1 1 1 1 1 1 1 1 0.4 0.4
MSS
(A.
niger)
Fracció
n, x
0.067 0.067 0 0 0.55 0.0007 0 0.8710 0 0.0074
Porcent
, %
6.7 6.7 0 0 55 0.0686 0 87.1044 0 0.7439
MSD
(Ac, G,
SA)
Fracció
n, x
0.051 0.051 0 0 0.0246 0.0546 0 0.0390 0 0.5926
Porcent
, %
5.1 5.1 0 0 2.4598 5.4625 0 3.8956 0 59.2561
Agua Fracció
n, x
0.882 0.882 1 1 0.4254 0.9447 1 0.09 1 0.4
Porcent
, %
88.2 88.2 100 100 42.5402 94.4689 100 9 100 40
Flujo, kg/h
80 80 40 40 9.6577 70.3423 3.5596 6.0982 63.8578 6.4845
MSS (A Niger)
5.36 5.36 0 0 5.3118 0.0482 0 5.3118 0 0.0482
MSD (Ac, G, SA)
4.08 4.08 0 0 0.2376 3.8424 0 0.2376 0 3.8424
Agua
70.56 70.56 40 40 4.1084 66.4516 3.5596 0.5488 63.8578 2.5938
Agua+SD
74.64 74.64 40 40 4.3460 70.2940 3.5596 0.7864 63.8578 6.4362
Tabla: Resolución del sistema del caso práctico 12
Fuente: Elaboración propia
Interpretación: Obtendremos dadas nuestras condiciones iniciales aproximadamente 5.36
kg/h de A. niger, 5.3118 kg /h por deshidratación y 0.0482 kg/h por evaporación por una
alimentación de 80 kg/h. Este será nuestro referente con nuestras nuevas condiciones.
Tenemos nuestro sistema completamente automatizado, por lo que podemos simular un caso,
y estos son:
● ¿Si la humedad del Deshidratado (Flujo 8), fuese 0%, y el filtrado (Flujo 6) retenga
2%?
- Tabla Primera Simulación del caso práctico:
Características 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Flujo másico,
Kg/h
80 80 40 40 9.5505 70.4495 4.0628 5.4877 63.8623 6.5871
Denominación Caldo
Entr
Caldo
Alim
Agua
Refrig
Agua
Sald
Torta Filtrado Adsorbi
do
Deshidra
tado
Vapor Concent
rado
Temperatura, °C 47 25 20 57.8268 25 25 60 60 25 25
Presión, atm 1 1 1 1 1 1 1 1 0.4 0.4
MSS
(A.
niger)
Fracció
n, x
0.067 0.067 0 0 0.55 0.0015 0 0.9572 0 0.0163
Porcent
, %
6.7 6.7 0 0 55 0.1522 0 95.7191 0 1.6274
MSD
(Ac, G,
SA)
Fracció
n, x
0.051 0.051 0 0 0.0246 0.0546 0 0.0428 0 0.5837
Porcent
, %
5.1 5.1 0 0 2.4598 5.4579 0 4.2809 0 58.3726
Agua Fracció
n, x
0.882 0.882 1 1 0.4254 0.9439 1 0 1 0.4
Porcent
, %
88.2 88.2 100 100 42.5402 94.3899 100 0 100 40
Flujo, kg/h
80 80 40 40 9.5505 70.4495 4.0628 5.4877 63.8623 6.5871
MSS (A Niger)
5.36 5.36 0 0 5.2528 0.1072 0 5.2528 0 0.1072
MSD (Ac, G, SA)
4.08 4.08 0 0 0.2349 3.8451 0 0.2349 0 3.8451
Agua
70.56 70.56 40 40 4.0628 66.4972 4.0628 0.0000 63.8623 2.6349
Agua+SD
74.64 74.64 40 40 4.2977 70.3423 4.0628 0.2349 63.8623 6.4799
Tabla: Resolución de adaptación 1° del sistema del caso práctico 12
Fuente: Elaboración propia
Interpretación: Obtendremos dadas nuestras condiciones iniciales aproximadamente 5.36
kg/h de A. niger, 5.2528 kg /h por deshidratación y 0.1072 kg/h por evaporación por una
alimentación de 80 kg/h. Este será nuestro referente con nuestras nuevas condiciones. Este
crecimiento por parte del deshidratado puede deberse a la retención de <6> mayor que el
original, por lo que hay mayor disponibilidad de A. Niger para concentrar en <10>.
● ¿Si el Caldo de entrada (Flujo 1) fuese de 48 kg/h, y la masa del sólido suspendidos
fuese de 13%?
- Tabla Segunda Simulación del caso práctico:
Características 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Flujo másico,
Kg/h
48 48 40 40 11.2433 36.7567 4.1220 7.1214 33.0774 3.6793
Denominación Caldo
Entr
Caldo
Alim
Agua
Refrig
Agua
Sald
Torta Filtrado Adsorbi
do
Deshidra
tado
Vapor Concent
rado
Temperatura, °C 47 25 20 42.6960 25 25 60 60 25 25
Presión, atm 1 1 1 1 1 1 1 1 0.4 0.4
MSS
(A.
niger)
Fracció
n, x
0.13 0.13 0 0 0.55 0.0015 0 0.8684 0 0.0153
Porcent
, %
13 13 0 0 55 0.1528 0 86.8352 0 1.5264
MSD
(Ac, G,
SA)
Fracció
n, x
0.051 0.051 0 0 0.0264 0.0585 0 0.0416 0 0.5847
Porcent
, %
5.1 5.1 0 0 2.6379 5.8531 0 4.1648 0 58.4736
Agua Fracció
n, x
0.819 0.819 1 1 0.4236 0.9399 1 0.09 1 0.4
Porcent
, %
81.9 81.9 100 100 42.3621 93.9941 100 9 100 40
Flujo, kg/h
48 48 40 40 11.2433 36.7567 4.1220 7.1214 33.0774 3.6793
MSS (A Niger)
6.24 6.24 0 0 6.1838 0.0562 0 6.1838 0 0.0562
MSD (Ac, G, SA)
2.448 2.448 0 0 0.2966 2.1514 0 0.2966 0 2.1514
Agua
39.312 39.312 40 40 4.7629 34.5491 4.1220 0.6409 33.0774 1.4717
Agua+SD
41.76 41.76 40 40 5.0595 36.7005 4.1220 0.9375 33.0774 3.6231
Tabla: Resolución de adaptación 2° del sistema del caso práctico 12
Fuente: Elaboración propia
Interpretación: Obtendremos dadas nuestras condiciones iniciales aproximadamente 6.24
kg/h de A. niger, 6.1838 kg /h por deshidratación y 0.0562 kg/h por evaporación por una
alimentación de 48 kg/h. El incremento de obtención de masa está en el incremento
porcentual de A. Niger en la alimentación es de 6.3% mayor que en el caso original, aunque el
flujo general sea menor, la obtención es mayor.
● ¿Si el Caldo de entrada (Flujo 1) fuese de 43 kg/h, y su temperatura es de 93%, y la
humedad de la Torta (Flujo <5> fuese de 21%)?
- Tabla Tercera Simulación del caso práctico:
Características 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Flujo másico,
Kg/h
43 43 40 40 3.6140 39.3860 0.4310 3.1830 35.7569 3.6291
Denominación Caldo
Entr
Caldo
Alim
Agua
Refrig
Agua
Sald
Torta Filtrado Adsorbi
do
Deshidra
tado
Vapor Concent
rado
Temperatura,°C 93 25 20 82.8440 25 25 60 60 25 25
Presión, atm 1 1 1 1 1 1 1 1 0.4 0.4
MSS
(A.
niger)
Fracció
n, x
0.067 0.067 0 0 0.79 0.0007 0 0.8970 0 0.0071
Porcent
, %
6.7 6.7 0 0 79 0.0658 0 89.6967 0 0.7145
MSD
(Ac, G,
SA)
Fracció
n, x
0.051 0.051 0 0 0.0115 0.0546 0 0.0130 0 0.5929
Porcent
, %
5.1 5.1 0 0 1.1479 5.4626 0 1.3033 0 59.2855
Agua Fracció
n, x
0.882 0.882 1 1 0.1985 0.9447 1 0.09 1 0.4
Porcent
, %
88.2 88.2 100 100 19.8521 94.4715 100 9 100 40
Flujo, kg/h
43 43 40 40 3.6140 39.3860 0.4310 3.1830 35.7569 3.6291
MSS (A Niger)
2.881 2.881 0 0 2.8551 0.0259 0 2.8551 0 0.0259
MSD (Ac, G, SA)
2.193 2.193 0 0 0.0415 2.1515 0 0.0415 0 2.1515
Agua
37.926 37.926 40 40 0.7175 37.2085 0.4310 0.2865 35.7569 1.4516
Agua+SD
40.119 40.119 40 40 0.7589 39.3601 0.4310 0.3280 35.7569 3.6031
Tabla: Resolución de adaptación 2° del sistema del caso práctico 12
Fuente: Elaboración propia
Interpretación: Obtendremos dadas nuestras condiciones iniciales aproximadamente 2.881
kg/h de A. niger, 2.8551 kg /h por deshidratación y 0.0259 kg/h por evaporación por una
alimentación de 43 kg/h. La obtención menor de A. niger es debido al escaso flujo de
administración, podemos notar que la temperatura de salida del refrigerante (agua) <4>, es
mayor a causa del incremento de temperatura en el ingreso. Podemos notar el deshidratado
(<8>) es por mucho mayor que el adsorbido (<7>), debido al decremento de la humedad de la
torta (<5>) por 24%
Discusión
Se aplicaron los fundamentos y conceptos para interpretar el sistema de la A. Niger, donde a su vez se
emplearon las ecuaciones de fracciones y porcentajes, flujo total de compuestos y la Ley Lavoisier de
calor, que mide los cambios de calor durante una reacción química, la cual nos ayudó a completar las
tablas de acuerdo a cada flujo, en la primera tabla las condiciones iniciales aproximadamente 5.36
kg/h de A. niger, 5.3118 kg /h por deshidratación y 0.0482 kg/h por evaporación por una alimentación
de 80 kg/h, en la segunda tabla las condiciones iniciales aproximadamente 5.36 kg/h de A. niger,
5.2528 kg /h por deshidratación y 0.1072 kg/h por evaporación por una alimentación de 80 kg/h. en
comparación con la primera se notó un crecimiento por parte del deshidratado, las tablas 3 y 4
también presentaron incremento en la temperatura, debido al proceso del intercambio de
contracorriente.
Conclusiones
- Se aplicaron los conocimientos aprendidos de balance de materia y energía para lograr
resolver casos de aplicación integrada en el balance de energía y el balance de masa.
- Se manejó de una manera correcta la aplicación de los fundamentos, conceptos y herramientas
de balance de masa y energía para lograr solucionar casos de aplicación en operaciones
unitarias (Downstream) en la biotecnología e Ingeniería con la aplicación de la ecuación de
conservación de Lavoisier.
- Se analizó y simuló con propiedad la modelación matemática de sistemas biotecnológicos de
separación y concentración con el uso del MS-Excel como herramienta informática y hoja de
cálculo para la respectiva simulación numérica.
Referencias bibliográficas
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Disponible en: http://repositorio.utmachala.edu.ec/handle/48000/14374
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http://dspace.espoch.edu.ec/handle/123456789/8569
http://repositorio.utmachala.edu.ec/handle/48000/14374