E S P E C I A L I E S P E C I A L ID A D : D A D : P R O C E S O S P R O C E S O S Q U Í M I C O S Q U Í M I C O S YY M E T A L Ú R G I C O S . M E T A L Ú R G I C O S . S E M E S T R E : 2 0 1 1 - I I S E M E S T R E : 2 0 1 1 - I I
Curso
Curso
PROCESOS
PROCESOS
QUÍMICOS
QUÍMICOS
1 1Actividad industrial
Actividad industrial
MATERIAS MATERIAS PRIMAS PRIMAS PRODUCTOS PRODUCTOS INDUSTRIA QUÍMICA INDUSTRIA QUÍMICA 2 2Actividad industrial
Actividad industrial
MATERIAS MATERIAS PRIMAS PRIMAS PRODUCTOS PRODUCTOS INDUSTRIA QUÍMICA INDUSTRIA QUÍMICA 2 2Producción de nitrobenceno
Producción de nitrobenceno
3
Las reacciones
químicas y su
utilidad
industrial:
•Reactantes
•Energía de
activación
•Catalizadores
4Rendimiento óptimo
Es calculado como porcentaje de cantidad de
producto producido en relación a la cantidad de reactivo
utilizado para producirlo.
Reacciones de producción del
H2SO4 2 SO 2 + O2 2 SO3 SO 3 + H2O H2SO4 5
¿Dónde se realizan las reacciones químicas?
En los reactores químicos. Estos son continuos y
de tipo batch
Reactor continuo
Es el método empleado
en la producción de alto tonelaje; por
ejemplo, los productos cloro y amoníaco (muy importantes industrialmente) se fabrican de esta manera. 10
¿Qué tipo de productos se obtienen en la
fabricación?
- Productos químicos básicos
- Productos intermedios (derivados de los básicos) - Productos finales (que se obtienen tras diversos procesos químicos) 11
Sectores de la industria química
-Productos inorgánicos básicos (ácidos, álcalis, sales...).
- Productos orgánicos básicos (materia primas para cauchos, resinas, plásticos...).
- Fertilizantes y pesticidas.
- Plásticos, resinas, gomas sintéticas... - Productos farmacéuticos.
- Pinturas, barnices y lacas.
- Jabones, detergentes, limpiadores, cosméticos, perfumería...
- Productos químicos diversos: pulimentos, explosivos, tintes, película fotográfica...
Reacciones orgánicas
a)
de Adición, cuando dos compuestos químicos
se unen para formar un compuesto único como
producto de la reacción.
b)
de Eliminación, es lo inverso a la reacción
anterior. Aquí, una molécula bajo ciertas
condiciones se escinde o divide dando como
producto dos especies químicas nuevas.
c) de Sustitución o desplazamiento, donde dos moléculas intercambian parte de ellas generando así dos nuevas moléculas productos.
d) de reordenamiento o transposición. Aquí, una molécula sufre una alteración en su estructura sin perder su composición original, es decir, sus
átomos se reordenan de diferente manera.
e) Oxidación - Reducción (Redox). Una disminución en el número de átomos de H
enlazados al carbono y un aumento en el número de enlaces a otros átomos como C, O, N, Cl, Br, F y S, indican que hay oxidación. Ejemplos:
Reacciones inorgánicas
¿Cómo clasifica la ISIC (International Standard
Industrial Classification of Economic Activities)
la industria química?
19Aspectos de la Biotecnología
¿Qué es la fermentación?
Es un proceso que realizan muchos
microorganismos, efectuando reacciones sobre
algunos compuestos orgánicos y liberando energía.
En condiciones fermentativas solamente se efectúa
una oxidación parcial de los átomos de carbono del compuesto orgánico y, por consiguiente, sólo una pequeña cantidad de la energía potencial
disponible se libera.
El proceso de fermentación no sólo incluye la
desasimilación anaeróbica como la formación de alcohol, butanol-acetona, ácido láctico, etc., sino también la producción industrial de vinagre, ácido cítrico, enzimas, penicilina etc..
¿Cuáles son las reacciones de fermentación
según el agente?
Fermentación microbiana Reacciones enzimáticas
¿Cómo ocurre la fermentación microbiana?
Promovidas o catalizadas por microorganismos. La
reproducción de los microorganismos conlleva a que la
reacción tenga un comportamiento autocatalítico siendo la
concentración de los microorganismos variable. Dentro de este tipo de reacción hay 2 clases bien definidas:
Cultivos de tejidos o macroorganismos
(células vegetales y animales). Reactores microbianos en sí
(cultivo de microorganismos).
¿Cómo se clasifican las reacciones de
fermentación según el consumo de O
2?
Aeróbicas: Aquí los microorganismos necesitan de
oxígeno para poder sobrevivir. Por ejemplo la reacción de transformación de la glucosa
O2 + C6H12O6 CO2 + BIOMASA
Anaeróbicas
Aquí los microorganismos no necesitan de oxígeno
para su supervivencia. Por ejemplo la reacción de transformación de la glucosa por vía glucolítica:
C6H12O6 2C2H5OH + CO2 + ENERGÍA
¿Cuáles son las materias primas para los
procesos de fermentación?
Materias amiláceas: tales como los cereales que
contienen almidón, tubérculos y raíces.
Materias celulósicas: tales como madera y sus
residuos.
Materias azucaradas: como los mostos y jugos
de diferentes frutas, como la caña de azúcar,
remolacha y subproductos de la industria
azucarera como melazas y mieles.
¿Cuál es la composición de la chancaca?
¿Qué microorganismos son importantes en la
fermentación?
Las levaduras, que actúan es una clase muy
particular de substancias, los azúcares.
¿Qué características tienen las levaduras?
Las levaduras pertenecen a una gran clase
denominada hongos que también, incluye mohos, midius y tizones de frutas. Los hongos son un grupo que no tienen clorofila, tienden a ser multicelulares y bastante complejos.
Se encuentran en muchas formas: esféricas,
rectangulares, tetraédricas, etc., y generalmente
oscilan entre los 2 y los 15 µm de diámetro, aunque las células cilíndricas llegan hasta 30 µm de longitud.
¿Cómo se reproducen las levaduras?
Por gemación o por producción de esporas, lo
mismo que los hongos superiores, aunque el mecanismo es más simple.
En la gemación el núcleo de la célula se duplica y uno de los núcleos se introduce en la yema que comienza a formarse. La yema con el tiempo se separa formando un nuevo individuo.
¿Cómo es el metabolismo de las levaduras?
Todas las levaduras metabolizan los alimentos, el substrato, por
respiración, es decir, por la reacción de oxidación.
Substrato + O2 xCO2 + yH2O
Algunas levaduras (una pequeña minoría) también tienen la habilidad de
alcanzar una forma anaeróbica de metabolismo que puede producir el etanol. Podemos representar esta reacción por:
Substrato mC2H5OH + nC02
Estas dos reacciones compiten, aunque la primera libera mucha más
energía, pero al excluir el oxígeno, la reacción de fermentación puede hacerse dominante causando la exclusión virtual de la reacción de
oxidación.
El agente que promueve la fermentación no es realmente la levadura sino la
enzima. En este caso es la hidrolasa.
Reacciones
Substrato simple
Productos de
fermentación
¿Cuáles son las características de la
fermentación?
Velocidad de fermentación Resistencia al alcohol Rendimiento Resistencia Medio de dilución 35¿Cómo determina la velocidad de fermentación?
Midiendo la cantidad de azúcar fermentada en la
unidad de tiempo por un peso dado de levadura; esta debe ser alta para evitar riesgos de
contaminación.
¿Qué es la resistencia al alcohol?
Una levadura de alta resistencia al alcohol presenta
grandes ventajas técnicas y biológicas, la cual permite obtener mostos con gran riqueza
alcohólica.
Mejora la potencia de la instalación, consiguiendo
una destilación económica, puesto que habrá menos consumo de combustible.
Su actividad fermentativa permite una
concentración de 8-9% de alcohol en volumen.
¿Qué es el rendimiento?
Es la relación entre el alcohol producido y el azúcar
puesto a disposición de la levadura, teóricamente por 100 Kg de melaza se obtienen 33 litros de
alcohol.
Se calcula el alcohol teórico
producido si toda la
glucosa y sacarosa presente en el mosto se
transforman en etanol.
¿Qué es la resistencia ácida?
Además de la resistencia al alcohol, la levadura
debe poseer resistencia a la acidez, ya que este
parámetro se aumenta en ocasiones para combatir infecciones, igualmente debe resistir los cambios de temperatura.
¿Qué es el medio de dilución?
El medio de dilución es generalmente agua, aunque
se utilizan otros solventes que no reaccionen químicamente con el medio.
¿Cuáles son variables de la fermentación
alcohólica y sus efectos en el proceso?
Clase de microorganismos Concentración del sustrato Concentración del etanol Temperatura
pH
Concentración de nutrientes Aireación
¿Qué clase de microorganismos son
utilizadas para procesos de fermentación?
Los microorganismos más apropiados para la
producción de etanol a partir de azúcares son, las
levaduras del género saccharomyces y kluyveromyces y las bacterias zymomonas mobilis.
Saccharomyces
¿Cómo influye la concentración del sustrato?
El carbono es suministrado por los azúcares
contenidos en la materia prima, siendo la
concentración de azúcar un valor que se debe considerar ya que afecta la velocidad de la
fermentación, el comportamiento y el desarrollo de las células de la levadura.
Suele ser satisfactoria una concentración de azúcar
del 10 al 18%, el valor más corriente es del 12%.
¿Cómo influye la concentración del etanol?
La levadura es afectada en alto grado por la
concentración de alcohol, una concentración
alcohólica del 3% ya influye sobre el crecimiento; una concentración de un 5% influye tanto sobre el crecimiento como en la fermentación.
¿Cómo influye la temperatura?
Esta variable es influenciada tanto por factores
fisiológicos como por problemas físicos (pérdidas debidas a la evaporación de etanol al trabajar con temperatura elevada).
Se debe tener en cuenta que para cada levadura
existe una temperatura óptima de desarrollo, en la cual se muestra activa.
¿Cómo influye en pH?
El control de la contaminación bacterial como también
al efecto en el crecimiento de las levaduras.
En la velocidad de fermentación y en la formación de
alcohol.
Durante la fermentación la levadura toma el nitrógeno
de los aminoácidos orgánicos, perdiendo su carácter anfótero y pasando a ácidos, lo cual origina una
disminución del pH del medio.
El crecimiento de la saccharomyces cerevisiae se
encuentra entre 4.4 - 5.0, con un pH de 4.5 para su crecimiento óptimo.
¿Cómo influye la concentración de nutrientes?
La presencia de sustancias nutritivas adecuadas es
una condición necesaria para el crecimiento y
desarrollo de la levadura, siendo su concentración un factor primordial en la actividad vital de la levadura.
Las principales sustancias nutritivas y las más
influyentes son el nitrógeno, fósforo, azufre, vitaminas y trazas de algunos elementos.
¿Cómo influye la aireación?
El aire es un factor decisivo en toda fermentación, ya
que su presencia hace más vigoroso el crecimiento de la levadura. Hay tres puntos de vista de gran
importancia que favorecen el rendimiento debido a una buena aireación:
El libre y constante abastecimiento de oxígeno de
cada célula en el sustrato.
La eliminación rápida del CO2, porque en
concentraciones relativamente pequeñas inhibe el crecimiento.
¿Cuáles son las fases de la fermentación?
¿Cuáles son las fases de la fermentación?
Fase lagFase lag
Fase temporal de aceleraciónFase temporal de aceleración
Fase de cFase de crecimiento exponencialrecimiento exponencial
Fase estacionariaFase estacionaria
Fase de muerteFase de muerte
Utilidades y ventajas de la fermentaciónUtilidades y ventajas de la fermentación
49
¿Qué es la fase lag?
¿Qué es la fase lag?
Fase de inactividad de duración variFase de inactividad de duración variable ya queable ya que
depende del número de células así como de las depende del número de células así como de las característ
características metabólicas de icas metabólicas de las mismas. las mismas. GrandesGrandes fas
fases es laglag indiindican can lala
presencia de sustancias presencia de sustancias tóxicas, muerte de tóxicas, muerte de células o células o inactividad de éstas. inactividad de éstas. 50 50
¿Qué es la fase temporal de acel
¿Qué es la fase temporal de acel
eración?
eración?
No ha sido definida matemáticamente pero en ellasNo ha sido definida matemáticamente pero en ellas
las proporciones de las células hijas tienden a las proporciones de las células hijas tienden a alcanzar el 50% de la población total.
alcanzar el 50% de la población total.
51
¿Fase de crecimiento exponencial?
Allí crecen los microorganismos rápidamente y el
crecimiento de la población depende del sustrato inicialmente colocado (melaza).
¿Qué es la fase estacionaria?
Aquí ya se ha alcanzado el máximo valor de
producción, en esta fase algunas células se dividen y otras mueren donde las células vivas utilizan los
compuestos provenientes de las muertas como nutriente, manteniendo la población constante durante la fase.
¿Qué es la fase de muerte?
Dado que la población celular presente no se
mantiene por sí misma comienza a morir.
Tiene un comportamiento exponencial. Muchos procesos en
cochada se terminan antes de que inicie esta fase.
Alcohol
El alcohol de grano, se produce y se vende en dos
formas.
La primera de estas es el alcohol con impuesto,
como la cerveza, el vino y otras bebidas alcohólicas,
y el alcohol usado para ciertos productos como el
extracto de vainilla y los productos farmacéuticos.
Alcohol industrial
La primera forma es completamente desnaturalizada
y contiene substancias como la metil-isobutil cetona y el querosén, que son muy difíciles de remover del
etanol y que convierten la mezcla en algo por completo impotable.
El alcohol industrial se puede producir por
fermentación de una gran cantidad de substancias
que contienen azúcar, como melazas, cereales, frutas, papa, remolacha, suero, celulosa hidrolizada y licores sulfitados.
Fermentación de melazas
Las melazas deben ser diluidas hasta alrededor de un
15% en peso de azúcar, para hacer una solución
fermentable, y todo se hace en un tanque de mezcla.
Se agrega suficiente ácido sulfúrico para ajustar el
pH entre 4,0 y 5,0 y en el caso de melazas de alta calidad se agregan nutrientes en forma de sulfato de amonio. 59
Fermentación de melazas
Esta mezcla constituye el mosto ya éste se le agrega la
cantidad necesaria de levadura que ha crecido en una cuba de levadura.
La levadura constituye alrededor del 5% del volumen
total cargado al fermentador. La fermentación se lleva a cabo a 750°F y se mantiene así durante cuatro días.
La temperatura es un factor crítico, ya que la levadura
muere por exceso de calor. Como la fermentación es exotérmica, el fermentador, que generalmente es una
vasija de acero inoxidable, se enfría por riego o se coloca en una unidad de refrigeración.
Fermentación industrial de alcohol
¿Qué es el glutamato monosódico?
Glutamato Monosódico (GMS) es la sal sódica del
aminoácido más abundante en la naturaleza: el ácido glutámico que junto con el mineral sodio forman un componente muy importante presente en muchos alimentos ricos en proteínas tales como el queso, carnes, pescado, leche y
algunos vegetales.
¿Qué es el glutamato monosódico?
Se usa como resaltadores del sabor alrededor del
mundo desde hace más de 100 años atrás. Los
alimentos que tienen un alto contenido de glutamato como los tomates y el queso, son ingredientes
apreciados en muchas cocinas del mundo
debido a su propiedad de resaltar el sabor.
Producción de glutamato monosódico
Problema de Fermentación
En la fermentación anaerobia de granos, la levadura Saccharomyces
cererivae digiere glucosa de origen vegetal para formar los productos etanol y ácido propenoico mediante las reacciones globales:
C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 (1)
C6H12O6 2 C2H3COOH + 2 H2O (2)
En un proceso por lotes un tanque se carga con 4000 kg de una
disolución de glucosa en agua al 12%. Durante la fermentación se produce 120 kg de CO2 y se quedan 80 kg de glucosa sin reaccionar. ¿Cuáles son los porcentajes en peso del alcohol etílico y ácido
propenoico que quedan en el caldo?. Suponga que los microorganismos no asimilan nada de glucosa.
Base de cálculo: 4000 kg de disolución de glucosa en agua
Resolución del problema
MC6H12O6=180; MC2H5OH = 46; MH2O = 18; MC2H3COOH = 72; MCO2= 44
Balance de materia de los componentes:
Planteando para las ecuaciones:
Balance de glucosa:
0,12 (A) =B (0) + glucosa consumida en (1) + glucosa consumida en
(2) + glucosa sin reaccionar
0,12 x 4000 = 245,5 + M2 + 80
M2 = 154,5 Kg
Con el valor de M2 se puede calcular la cantidad de ácido propenoico,
de la ec. (2):
Masa de ácido propenoico = 123,6 Kg
Agua formada en la reacción (2): 30,9 Kg
Agua en A + Agua formada en reacción (2) = Agua en C
Balance de agua
0,88 x 4000 + 30,9 = C xag = 3550,9 kg Balance de alcohol etílico
Según la ec.(1) alcohol etílico producido = 125,5 Kg Con todos los valores obtenidos podemos construir
el cuadro de masa y determinar las
concentraciones en masa de cada componente.
