fermentacion alcoholica
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rea Ingeniera Qumica
Universidad de Almera
Operaciones Bsicas en Ingeniera
Qumica
Ttulo Grado en Qumica
PRODUCCIN DE ETANOL POR FERMENTACIN
1 FUNDAMENTO TERICO ............................................................................................. 2
1.1 INTERS DEL PROCESO ........................................................................................... 2
1.2 FERMENTACIN ALCOHLICA ............................................................................. 3
1.3 SEPARACIN EN CAMPO CENTRFUGO .............................................................. 5
1.4 DESTILACIN DIFERENCIAL .................................................................................. 6
2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ....................................................................... 10
2.1 FERMENTACIN ALCOHLICA ........................................................................... 10
2.1.1 INOCULACIN .................................................................................................. 10
2.2 SEPARACIN EN CAMPO CENTRFUGO ............................................................ 12
2.2.1 Determinacin de la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio ............ 12
2.3 SEPARACIN POR FILTRACIN ........................................................................... 13
2.4 SEPARACIN POR SEDIMENTACIN .................................................................. 13
2.5 DESTILACIN DIFERENCIAL ................................................................................ 13
2.5.1 Destilacin a composicin final conocida ............................................................ 13
3 RESULTADOS Y DISCUSIN ...................................................................................... 13
4 CUESTIONES .................................................................................................................. 14
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Operaciones Bsicas en Ingeniera Qumica.- Fermentacin alcohlica
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1 FUNDAMENTO TERICO
1.1 INTERS DEL PROCESO
La fermentacin alcohlica es utilizada extensamente en varios mbitos de la industria,
incluyendo la alimentaria, para realizar la conversin de azcares en alcohol etlico, producto
de suma importancia en la industria, ya que es utilizado como disolvente, alimento,
combustible, medicamento y como base para la sntesis de otros muchos productos.
La fermentacin alcohlica es un proceso con muchas ventajas desde el punto de vista
industrial. Es barato, porque transcurre en fase lquida, en medio acuoso, y se realiza a
temperatura ambiente, es rpido y muy especfico. La reaccin general de la fermentacin
alcohlica es la siguiente:
C6 H12O6 2CH3CH2OH 2CO2
Esta reaccin slo transcurre en condiciones anaerobias. En realidad la reaccin anterior es
la glucolisis en la mayor parte. La glucolisis produce 2 ATP y piruvato como producto de la
glucosa. En presencia de oxgeno, el piruvato entra al ciclo de Krebs es oxidado totalmente a
CO2. Sin embargo, en condiciones anaerobias, el piruvato en convertido en etanol y CO2 por el
enzima zimasa. El sustrato fundamental de la fermentacin alcohlica es la glucosa. Sin
embargo, puede ser fermentado cualquier azcar susceptible de entrar a la va de la glucolisis,
tal y como ocurre con la maltosa y la sacarosa, por medio de la accin de las enzimas maltasa e
invertasa respectivamente. La levadura Saccharomyces cerevisae tambin contienen estas
enzimas.
El proceso de obtencin industrial del etanol comienza con un azcar o, en general, algn
hidrato de carbono adecuado, y termina con el etanol rectificado (96% v/v). Es, por tanto, un
proceso compuesto de varias etapas u operaciones unitarias, que se van a estudiar
separadamente. Estas etapas son:
Fermentacin alcohlica.
Separacin de la biomasa y vinazas (lquido que contiene el etanol) por centrifugacin.
Purificacin del etanol mediante rectificacin en columna de platos.
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Operaciones Bsicas en Ingeniera Qumica.- Fermentacin alcohlica
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1.2 FERMENTACIN ALCOHLICA
La fermentacin alcohlica es una cadena de reacciones enzimticas que comienzan en un
hidrato de carbono y terminan en etanol y CO2. Como en cualquier otra reaccin enzimtica
(reaccin cataltica), la velocidad con la que transcurre se ve influenciada por diversos factores,
entre otros:
Concentracin de sustrato
Concentracin de catalizador
Temperatura
En ocasiones tambin influyen otros factores, como la presencia de vitaminas o minerales,
que deben ser debidamente aportados, o la inhibicin por producto, que en el caso de la
fermentacin alcohlica es importante, ya que la presencia de etanol en concentraciones
elevadas, superiores al 15%, puede ralentizar o detener la reaccin. Para el diseo del
fermentador es necesario conocer la velocidad de la reaccin en funcin de los factores que la
condicionan. Para ello, es necesario conocer la estequiometra de la fermentacin y una
definicin precisa de velocidad de reaccin. La sacarosa es un disacrido compuesto por
glucosa y fructosa que es fcilmente escindido por el enzima invertasa. La glucosa liberada se
incorpora inmediatamente a la glucolisis, mientras que la fructosa ha de ser previamente
convertida a glucosa por una isomerasa. La levadura Saccharomyces cerevisae contiene ambas
enzimas y por eso es capaz de usar sacarosa en condiciones anaerobias para producir etanol y
CO2 segn la siguiente reaccin:
C12H24O12 4CH3CH2OH 4CO2
1 mol sacarosa 4 moles etanol + 4 moles anhdrido carbnico
360 g sacarosa 184 g de etanol + 176 g de CO2
Con lo que se pueden calcular en base msica o molar los coeficientes estequiomtricos que
relacionan cualquiera de las sustancias consumidas y/o producidas. Por ejemplo,
arosagEtOH/gSac 511.0g360
g184
consumida Sacarosa
producido EtOH
/gSacarosagCO 489.0g360
g176
consumida Sacarosa
producido CO2
2
Es decir, conocidas las concentracin inicial (t=0) del sustrato y de los productos, se puede
calcular la concentracin de las dems especies a partir de la concentracin de una de ellas,
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determinada por cualquier mtodo de medida. Puesto que el CO2 es un gas, se puede aceptar
que se va desprendiendo totalmente conforme se va produciendo. La masa de CO2 desprendida,
p, despus de un tiempo t se puede evaluar como la diferencia de peso del experimento en el
instante inicial t=0. Es decir:
p = (peso inicial del cultivo) - (peso del cultivo en el instante t) (en gramos)
Si se define adems la siguiente nomenclatura
Concentracin de sacarosa: Inicial [S]0; en un tiempo t [S] (en gramos/Litro)
Concentracin de etanol: Inicial [Et]0; en un tiempo t [Et] (en gramos/Litro)
Volumen de cultivo: V (en Litros)
En el instante inicial la concentracin de etanol es siempre nula. En este caso, haciendo uso
de la nomenclatura definida y de la estequiometra, la concentracin de cada sustancia en cada
instante t (minutos transcurridos desde el comienzo de la reaccin) es:
Sacarosa:
MSacarosa = MSacarosa inicial MSacarosa consumida
producido CO
consumida SacarosaMVSVS
2
producido2CO0
Dividiendo por V e introduciendo el valor del coeficiente de rendimiento se obtiene que,
V489.0
pSS 0
Etanol
MEtOH = MEtOH inicial + MEtOH producido
consumida Sacarosa
producido EtOH
producido CO
consumida SacarosaMVEtOHVEtOH
2
producido2CO0
Dividiendo por V e introduciendo el valor de los coeficientes de rendimiento se obtiene
que,
V489.0
511.0pEtOHEtOH 0
La velocidad de reaccin se define como la variacin de la cantidad de una sustancia de
referencia en la unidad de tiempo y en la unidad de volumen de reaccin. La sustancia de
referencia suele ser el reactivo limitante que en este caso adems es el nico sustrato. La
velocidad de reaccin es por tanto,
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dt
SacarosadrS
Las velocidades de aparicin de los productos estn relacionadas con la velocidad de
consumo de la sacarosa por la estequiometra de la reaccin,
dt
Sacarosad
360
184
dt
EtOHdrEtOH ,
dt
Sacarosad
360
176
dt
COdr 22CO
Es decir, que siguiendo el peso de CO2 desprendido durante un experimento se puede
calcular la concentracin de sacarosa y etanol en cualquier instante, as como la velocidad de
reaccin.
1.3 SEPARACIN EN CAMPO CENTRFUGO
La centrifugacin se puede definir como una operacin bsica con la que se lleva a cabo la
separacin de las sustancias por medio de la fuerza centrfuga. Se aplica cuando la separacin
de dos fases, G-S, L-S o L-L, no es posible utilizando slo la fuerza de la gravedad, bien por
que los dimetros de partcula sean muy pequeos o bien por que las densidades de ambas fases
sean muy similares. En estas condiciones se aprovecha el efecto de una fuerza centrfuga que
acente las diferencias entre ambas fases permitiendo as llevar a cabo la separacin.
La fuerza centrfuga, Fc, que acta sobre un objeto de masa m, girando en una rbita circular
de radio, r, con una velocidad angular, , viene dada por,
r mF 2c donde r vc y 30
N =
siendo N la velocidad de rotacin en revoluciones/min y la velocidad angular, en
radianes/segundo. En el equilibrio se establece el balance de fuerzas, segn el cual, la fuerza
centrfuga debe ser igual a la suma de la fuerza de rozamiento, Fr, y flotacin, Ff, de forma que
se puede hallar la velocidad de sedimentacin en un campo centrifugo, vt, como,
Fc-Ff=Fr
rt2
pps
2
c3pfc F= ' v d
4)(Ref-
r
v d
6FF
D
ps
2
tC 3
d -r 4'v
siendo )f(Re 2=C pD
Normalmente dp ser muy pequeo y el flujo ser laminar por lo que sustituyendo CD por su
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Operaciones Bsicas en Ingeniera Qumica.- Fermentacin alcohlica
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valor como CD=24/Rep se obtiene la ley de Stokes modificada con la fuerza centrfuga.
18
- dr 'v
s
2
p
2
t Ecuacin de Stokes centrfuga
El tiempo necesario para que una partcula decante en un campo centrfugo vendr
determinada por la velocidad de sedimentacin en campo centrfugo, la cual a su vez se puede
poner en funcin de la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio, de forma que se
obtiene que,
18
- d gv
s
2
p
g
dt
dr
18
- dr v
s
2
p
2
c
dt
dr
g
r vv
2
gc
2R
1R
2
gr
dr
v
g t
1
2
2
gR
RLn
v
g t
1
2
2g R
RLn
t
g v
La velocidad en campo centrfugo y el porcentaje de separacin requerido determinan el
tiempo que las partculas deben permanecer en la cmara. Dicho tiempo es igual al volumen de
la cmara dividido por el caudal alimentado, de forma que la ecuacin de diseo y operacin de
la centrfuga queda como,
gvq
donde vg es la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio (caracterstica de la partcula),
es el tanto por uno de recuperacin requerido (variable de operacin) y es el rea
equivalente de la centrfuga (caracterstica de la centrfuga). Esta ecuacin muestra como el
caudal que se puede alimentar a una centrfuga aumenta con la velocidad de sedimentacin las
partculas y el rea equivalente de la centrfuga mientras que disminuye al aumentar la
recuperacin requerida.
1.4 DESTILACIN DIFERENCIAL
El objeto de la destilacin es separar, mediante vaporizacin, una mezcla lquida de
sustancias miscibles y voltiles en los componentes individuales o, en algunos casos, en grupos
de componentes. Se define tambin la destilacin como la separacin de los componentes de
una fase de vapor provocando la aparicin de una fase lquida (modificando la presin o
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temperatura) a la que se transfieren los componentes ms voltiles. La separacin de una
mezcla de alcohol y agua en sus componentes; de aire en oxgeno, nitrgeno y argn; y un
crudo de petrleo en gasolina, queroseno, fuel oil y aceites lubricantes, son ejemplos de
destilaciones.
En el caso de la destilacin diferencial, simple o por cargas, V y L no estn en equilibrio y
sus concentraciones cambian con el tiempo, pero en cada dt si se puede considerar que existe
un equilibrio entre L y V, aunque al final no lo estn.
Calor
V
L
D
ym
Considerando que la cantidad de vapor producido es igual a la cantidad de lquido
evaporado,
dL=dV
y haciendo uso de las condiciones de contorno,
t=0L0, x0
t=tL, x siendo L0>L y x0>x
mediante la aplicacin de un balance al componente voltil en la caldera en un espacio de
tiempo diferencial se obtiene que,
Componente voltil al
principio del dt
= Componente voltil al
final del dt en el lquido
+ Componente voltil que
pasa al vapor en el dt
L x = (L-dL) (x-dx) + y dV
Es decir,
L x=L x-L dx-x dL+dL dx+y dV
dLdx es despreciable luego,
Ldx+xdL=ydV
Como dL=dV se obtiene que,
Ldx=dL(y-x)xy
dx
L
dL
0x
x
0L
Lxy
dx
L
dL
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0x
x
0
xy
dx
L
LLn Ecuacin de Rayleigh
Ecuacin sta que permite abordar tanto el diseo como la operacin de la destilacin
diferencial simple. As, para un problema real sera conocido L0 y x0, pero no L, x ni ym. Sin
embargo, ym se puede calcular como,
L0=L+D
L0x0=Lx+Dym
LL
LxxLy
0
00
m
De forma que se puede,
Fijar la composicin final x. En este caso se desconoce L, por lo que se halla por la
ecuacin de Rayleigh, donde y-x es la diferencia de las composiciones de equilibrio en V y L,
luego la integral se resuelve de forma grfica.
x y
xy
1
0x
xxy
dxrea
xy
1
xx x0
... ... ...
... ... ...
... ... ...
... ... ...
... ... ...
Fijar la cantidad de lquido final L. En este caso se desconoce x, pero como se dispone de
los datos de equilibrio y la curva 1/(y-x) vs. x, se resuelve por tanteo grfico hallando la
integral hasta un valor de x, y se comprueba si es igual a Ln(L0/L), con lo que se hallara ym.
Fijar la concentracin del destilado ym. En este caso habra dos incgnitas, L y x, por lo
que de nuevo se aplicara un procedimiento por tanteos que consta de,
Suponer un valor arbitrario de x.
Con el valor supuesto, y haciendo uso de la ecuacin de Rayleigh calcular L.
Comprobar si los valores de x y L obtenidos dan un ym igual al objetivo.
Si no es as se vuelve a suponer un valor de x.
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Puede ser que la volatilidad relativa sea conocida, y si sta es constante se puede obtener
una solucin analtica de la ecuacin de Rayleigh como,
0x
x
0
x1x1
x
dx
L
LLn
1
1
0
00
x1x
x1x
L
L
donde ya no aparece la fraccin molar en la fase gaseosa, y con la cual se pueden resolver
analticamente los tres casos anteriormente considerados.
Se podra plantear tambin un balance entlpico a toda la caldera como,
L0h0+QT=Lh+Dm
donde m es el calor latente medio. De dicho balance se obtendra el valor de QT o calor
necesario para producir la destilacin. Adems, se podra conocer el tiempo necesario para
realizar esta destilacin como,
QT=Q t
donde Q es el calor que se suministra a la mezcla fluida por unidad de tiempo.
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2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Levadura
(Saccharomyces cerevisiae)
FERMENTACIN
ALCOHLICA
PURIFICACIN
ETANOL
Caldo de
fermentacin
ETANOL
VINAZAS
Slidos
Slidos
Slidos
SEPARACIN
SLIDOS-VINAZAS
AGUA
SEDIMENTACIN CENTRIFUGACIN FILTRACIN
TERCERA SESIN
PRIMERA SESIN
SEGUNDA SESIN
2.1 FERMENTACIN ALCOHLICA
2.1.1 INOCULACIN
En una primera sesin se llevar a cabo la inoculacin para llevar a cabo una fermentacin
alcohlica en las condiciones de operacin ms adecuadas para la produccin de etanol por
fermentacin en un reactor de 10 L discontinuo. Instalar el reactor y poner en marcha el
proceso, con 25 g/L de levadura, 1 mL/L de disolucin pasteur (ver tabla), 100-200 g/L de
sacarosa (los alumnos del primer turno usaran 100 g/L de sacarosa y los del segundo turno 200
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g/L, para poder hacer una comparativa. La fermentacin tendr lugar en 24 horas, se tomarn
medidas de forma peridica (cada 2 h) de la suspensin de clulas y el CO2 evaporado,
mediante pesada (ver apartado 1.2) y poder calcular el contenido de sacarosa y de etanol del
medio. La cuantificacin de la concentracin celular se medir por densidad ptica con un
espectrofotmetro de haz simple (UNICAM Helios Epsilon), segn la siguiente ecuacin:
C(g/L)=0.185DO665 (hacer blanco con agua del grifo y diluir con agua del grifo si la
absorbancia pasa de 0.8).
Una vez alcanzada la conversin definida, parar la reaccin y proceder a la separacin de la
vinaza del cultivo.
DISOLUCIN PASTEUR
3 g fosfato de potasio KH2PO4
0.3 g fosfato de calcio Ca3(PO4)2
0.3 g sulfato de magnesio Mg SO4
10 g tartrato amnico (CHOHCOONH4)2
Disolverlo todo en 1 litro de agua destilada
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2.2 SEPARACIN EN CAMPO CENTRFUGO
2.2.1 Determinacin de la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio
En primer lugar se determina la velocidad de sedimentacin en campo gravitatorio mediante
ensayos en discontinuo en una centrfuga de laboratorio, modificando el tiempo de
centrifugacin y manteniendo constante la velocidad de giro y luego al contrario (usando 1600,
2000 y 2400 rpm cada una de ellas desde 1 a 5 min).
N, rpm t,min Absorbancia
1600 0
1600 1
1600 2
1600 3
1600 4
1600 5
2000 0
2000 1
2000 2
2000 3
2000 4
2000 5
2400 0
2400 1
2400 2
2400 3
2400 4
2400 5
Para ello se utiliza el cultivo obtenido en los ensayos de fermentacin en discontinuo, ya que
la levadura no cambia de morfologa durante el proceso de fermentacin. Se utiliza una
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centrfuga discontinua de laboratorio HERAEUS Labofuge 200 y cuyo radio interno y externo
es 3.5 y 8.0 cm, respectivamente. En todos los casos el porcentaje de recuperacin se determina
mediante cuantificacin de la concentracin celular.
2.3 SEPARACIN POR FILTRACIN
Para llevar a cabo la filtracin se va a proceder a filtrar (200 mL) con tres filtros de tamao de
poro diferente la separacin por filtracin. Se anotar con el tiempo el volumen filtrado y el
espesor de la torta. El alumno deber determinar la densidad de la suspensin y la viscosidad.
2.4 SEPARACIN POR SEDIMENTACIN
Para llevar a cabo la sedimentacin se cogern probetas de 100 mL para observar la
sedimentacin e ir midiendo con el tiempo h-t. Se ensayarn cinco experimentos: i) suspensin
directamente, ii) ajustar pH 12 aadiendo sosa, iii) calentar la suspensin a una temperatura de
60 C, iv) se aadir almidn como agente floculante, v) se aadir sulfato de aluminio como
agente coagulante.
2.5 DESTILACIN DIFERENCIAL
2.5.1 Destilacin a composicin final conocida
Se carga el destilador y se opera a composicin final de destilado conocida. Para ello se
resuelve la ecuacin de Rayleigh mediante tanteos y se determina tanto la cantidad de destilado
final a recoger, como la composicin del residuo en la caldera. Se lleva a cabo la operacin
midiendo de forma peridica la temperatura y concentracin de etanol del destilado y del
residuo.
3 RESULTADOS Y DISCUSIN
1. Indique la secuencia de clculo a utilizar para determinar la concentracin de cada una de las
especies en cada reactor (100 g/L y 200 g/L de sacarosa), en funcin del tiempo, as como la
velocidad de reaccin en cada instante.
2. Calcule y represente grficamente como varan las concentraciones de cada una de las
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especies, reactivos y productos en funcin del tiempo.
3. Represente grficamente la evolucin de la concentracin de todos los reactivos y productos
durante la operacin del reactor de 10 L en ambas condiciones.
4. Representar grficamente como vara la concentracin de clulas con w2t, observar el valor
ptimo de N (rpm) y el tiempo para la separacin.
5. Representar grficamente como vara el porcentaje de separacin de levadura con el tiempo
de centrifugacin.
6. Determinar la velocidad de sedimentacin por gravedad de la levadura utilizada para los
cinco experimentos.
7. Representar la variacin del volumen de filtrado recogido as como el espesor de la torta con
el tiempo. Determinar que filtro sera el ms eficaz.
8. Indicar la secuencia de clculo utilizada para determinar la cantidad de destilado y
composicin del mismo, obtenidas por destilacin diferencial.
9. Representar grficamente como vara la temperatura y composicin del destilado con el
tiempo.
10. Determinar las necesidades de calefaccin del sistema en las condiciones de operacin.
11. Delimitar las fracciones de destilado aptas para consumo humano.
4 CUESTIONES
1. Justifique si es conveniente o no agitar el caldo de fermentacin durante el proceso, y su
repercusin en el rendimiento en etanol.
2. Cmo se puede mejorar el rendimiento de la etapa de centrifugacin?
3. Qu tipo de centrfuga es ms adecuada para llevar a cabo este proceso a escala industrial?
4. Indique otras operaciones susceptibles de reemplazar a la centrifugacin en este proceso.
5. Qu ventajas e inconvenientes presenta la destilacin diferencial frente a la operacin en
continuo?
6. Qu fracciones de destilado son ms susceptibles de ser txicas y porqu?
7. Enumere los diversos procedimientos industriales de obtencin de etanol. Justifique las
aplicaciones de cada uno de ellos.
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