exposición diseño.pptx

8/20/2019 Exposición Diseño.Pptx

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Diseño de un proceso de producción de ácido cítricocon recuperación por adsorción en esferas de alúmina

Profesores: Juan Carlos y Juan Manuel

Alumnos: Brian Aguilar, Octavio Jimenez, Damaris Medina,David Villagómez, Porfirio allegos

Dise!o de Procesos de "e#aración

ru#o $BV%

Instituto Politécnico Nacional&nidad Profesional 'nterdisci#linaria de 'ngenier(a

Cam#us uana)uato

'ngenier(a Biotecnológica

Procesos de "e#aración con *ransferencia "ólido+luido



Planteamiento del problema

- Problema

&na em#resa .io#roductora a gran escala, /a desarrollado #arcialmenteun .io#roceso 0&#stream y #arte del do1nstream2, en el cual /an

#roducido 3cido c(trico #ara usos alimenticios a trav4s de un #rocesofermentativo con una ce#a .acteriana5 "e sa.e 6ue la #roducción ese7tracelular y el meta.olito se recu#era en #erlas de o7ido de aluminio5Pro#oner un #roceso de e7tracción sólido l(6uido y su res#ectivo #lan deo#timización involucrando todas las varia.les #osi.les5



Objetivos

- Objetivo GeneralDise!ar y o#timizar un #roceso de o.tención de 3cido c(trico #or adsorción, a#licando#rinci#ios fundamentales de la transferencia de masa5

- Objetivos Específicos

- 8sta.lecer la información del #ro.lema, esta.lecer lo 6ue se conoce y sus

restricciones de dise!o5- Definir el microorganismo #roductor del 3cido c(trico5- 8sta.lecer el #roceso de #roducción de 3cido c(trico a #artir del microorganismo

seleccionado5- Definir las ecuaciones involucradas en el #roceso de adsorción5- "eleccionar las condiciones de o#eración 6ue #ueden ser utilizadas #ara la

o#timizar5- 8sta.lecer los criterios de o#timización del #roceso de adsorción, en .ase a la

determinación y .9s6ueda de la información faltante5



Información conocida y desconocida

¿Qué se conoce?Producto deseado 03cido c(trico25

Producción a gran escala

8nfo6ue en el sector alimenticio5"e o.tiene #or fermentación #orce#a .acteriana5

8s un #roducto e7tracelular5

"e recu#era en #erlas de ó7ido de

aluminio5

¿Qué se desconoce?



Ácido Cítrico

8l 3cido c(trico es un 3cidoorg3nico tricar.o7(lico 6ue est3#resente en la mayor(a de lasfrutas, so.re todo en c(tricoscomo el limón y la naran)a5 8s un.uen conservante y antio7idantenatural 6ue se a!ade

industrialmente en el envasadode muc/os alimentos como lasconservas vegetales enlatadas5

8n .io6u(mica a#arece comouna mol4cula intermediaria en elciclo de ;re.s5

Sector usoBebidas Saborizantes y regulador

del pH; incrementa laefectividad de losconservantesantimicrobianos

Dulces yconserv as

Acidulante y regulador del pH para lograr una óptimagelificación

Caramel

os

Acidulante y regulador del

pH con el objetivo dealcanzar la má ima durezade los geles

!erduras procesadas

"n combinación con ácidoascórbico# previene lao idación$

Aliment oscongelados

Ayuda a la acción de losantio idantes; inactivaenzimas previniendo pardeamientosindeseables; in%ibe eldeterioro del color$



Conceptos básicos Aspergillus niger.

- 8s un /ongo filamentoso /ialino, sa#rófito, #erteneciente al filo Ascomycota5 "eencuentra formado #or /ifas /ialinas se#tadas y #uede tener re#roducción se7ual0con formación de ascos#oras en el interior de ascas2 y ase7ual 0con formación deconidios2 y es uno de los #rinci#ales /ongos #roductores de micoto7inas5

- <as micoto7inas son meta.olitos secundarios #roducidos y secretados #or el

/ongo durante el #roceso de degradación de la materia org3nica, comomecanismo de defensa frente a otros microorganismos5

-Produce diversos com#uestos de gran inter4s #ara las industrias farmac4uticas yde alimentos 0enzimas, 3cido org3nicos2, y es el #rinci#al #roductor de 3cidoc(trico a nivel industrial #or un cultivo l(6uido5



• !e "a observado #ue se obtiene un altorendimiento de ácido cítrico cuando e$iste una altaacumulación de %ste en el micelio& #ue puede estarasociada con una alta concentración de 'lucosa yde o$í'eno disuelto en el medio lí#uido(

Figura ! "ongo de Aspergi

Conceptos básicos Aspergillus niger.



Conceptos básicos )dsorción

Por adsorción se entiende la fi)ación de las mol4culas de un fluido #or contacto conla su#erficie de un sólido5 8l sólido reci.e el nom.re de adsor.ente y la sustanciadisuelta se denomina adsor.ato5 "i el adsor.ente #ermanece en contacto con eladsor.ato un tiem#o suficiente, se esta.lece un e6uili.rio de adsorción5 8ladsor.ente est3 entonces totalmente saturado y ya no #uede admitir m3sadsor.ato 0=3!ez, et al , >??@25

Figura #! $epresentaci%n gr&fica de un adsorbente ' un adsorbato



Conceptos básicos *ipos de )dsorción

<os com#onentes de la fase fluida 6uedan unidas a la su#erficie del sólido mediantefuerzas del ti#o el4ctrico,fuerzas de fuerzas de Van der aals 0d4.iles2 o medianteverdaderos enlaces 6u(micos5

(dsorci%n por interca)bio i%nico 5 8n este #roceso el soluto y el adsor.ente seatraen #or fuerzas electrost3ticas5 Dic/o de otra manera, los iones del soluto seconcentran en la su#erficie del sor.ente, 6ue se /alla cargada el4ctricamente consigno contrario a los iones del soluto5

(dsorci%n física 5 *am.i4n llamada adsorción #or fuerzas de Van der aals5 8neste ti#o de adsorción, el adsor.ato no est3 fi)o en la su#erficie del adsor.ente,sino 6ue tiene movilidad en la interfase5

(dsorci%n *uí)ica 5 "ucede cuando /ay interacción 6u(mica entre adsor.ato adsor.ente5 <a fuerza de la interacción es fuerte, casi como un enlace 6u(mico5

http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/adsorcion#






Conceptos básicos Isotermas de )dsorción

8n el an3lisis de los #rocesos de adsorción los datos de e6uili.rio se e7#resannormalmente como isotermas de adsorción: <as isotermas son #arte esencial #aramodelar la adsorción y #or lo tanto #ara el dise!o, c3lculo de eficiencias y costos dela adsorción5 +as isoter)as nos per)iten esti)ar el grado de purificaci%n *uepuede ser alcan,ado- la cantidad de adsorbente re*uerido- ' la sensibilidaddel proceso respecto a la concentraci%n del producto!

.ipos de an&lisisde isoter)as

● reundlic/ 0Adsorción #or intercam.io iónico2● <ineal 0A#ro75 de isotermas en la región .a)a de concentración

del soluto2● <angmuir 0Adsorción #or afinidad2● 'rreversi.le 0"istemas altamente es#ec(ficos2



Conceptos básicos +elaciones de e#uilibr

Figura /! (lgunos tipos co)unes de isoter)as de adsorci%n 0Gean1oplis- #2234!



Conceptos basicosbásicos Cin%tica deadsorción(

<a velocidad efectiva de la adsorción de#ende tanto de las condiciones de o#eración 0fltem#eratura, com#osición y #resión2, como de la configuración del sistema 0intermitente, columetc52 y del tama!o del e6ui#o donde se realizar3 la o#eración 0*e)eda, %@@ 25

- "i . , 5 y la cantidaest3n dadas, entoncede adsor.ida #or adsor.ente2 se ve afect

! Naturale,a de#! Naturale,a del/! Naturale,a del

• Factores *ue afectan a la cantidad adsorbida!

!5antidad del adsorbente6 "u#erficie dis#oni.le5

#!5oncentraci%n del adsorbato6 Cantidad de materialdis#oni.le5/!.e)peratura6 A medida 6ue aumenta la tem#eraturala tem#eratura la cantidad adsor.ida #or el adsor.enteva disminuyendo con ra#idez, lo cual es 9til #or6ue laadsorción normalmente se /ace a la tem#eraturaam.iente y la desorción se #uede efectuar aumentando

la tem#eratura5



Análisis y modelación del proceso



Presolución del problema ,tapas del proceso deproducción de ácido cítrico por Aspergillus nige

87isten dos m4todos #rinci#ales #ara la #roducción de 3cido c(trico, el cultivosu#erficial y el cultivo sumergido5

- 5ultivo superficial : *iene la venta)a de ser sim#le en su o#eración y menossensi.le a variaciones am.ientales 6ue el cultivo sumergido5 "in em.argo las.a)as #roductividades tienden a volver o.soleta esta t4cnica5

- 5ultivo su)ergido6 8n estos #rocesos se #ueden usar tan6ues agitados conm9lti#les tur.inas o fermentadores de torre ti#o air+lift5 8stos .iorreactoresfavorecen el crecimiento com#acto del micelio en forma de #ellets con lasconsecuentes venta)as en la /idrodin3mica del medio5 8n todas las #lantasactualmente en o#eración el #roceso es intermitente 0#or lotes25



Dia'rama simplificado del proceso de produccióde ácido cítrico por cultivo sumer'ido(

Preparacióndel medio

-iltración ./

,sterili0acióndel medio -ermentación

-iltración .1

,vaporación )dición desales

)dsorción(

Productofinal(



Preparaci%n del )edio- Dilución de la melaza con agua5- Adición de su#lementos5- educir la viscosidad y concentración del medio5● Filtraci%n 7- 8liminar restos vegetales e im#urezas naturales de la melaza5● Esterili,aci%n - "e realiza con inyección de va#or a % ?EC #or > min5● Fer)entaci%n6- Con es#oras o cultivo vegetativo crecido se#aradamente en un tan6ue alrededor

del %?F el volumen del fermentador5- *em#eratura > +G?EC5- Duración total de a H d(as5

Protocolo



Filtraci%n 7# 0.a)bor rotatorio4- etirar la .iomasa 0micelio2 del medio- O#eración #or tam.or rotatorio- *ratamiento al micelio recu#erado● Evaporaci%n- 8liminación de la mayor cantidad de agua del l(6uido clarificado- Concentración del 3cido c(trico de al menos ?F● (dici%n de sales- "e a!ade .icar.onato de sodio al medio concentrado a una #ro#orción en 6ue

no ocurra #reci#itación de los cristales del com#uesto5- *ransformación del 3cido c(trico a citrato de sodio

Protocolo !eparación del Ácido 2ítrico



● (dsorci%n- Adsorción de la solución de citrato de sodio, en columna em#acada de esferas

de al9mina 0ó7ido de aluminio25● Producto final- Producto concentrado en esferas de al9mina5● $ecuperaci%n del producto- A #artir del adsor.ente #or desorción con agua5

Protocolo Purificación y concentración



*ransferencia de materia



,cuaciones de diseño

- $estricciones pa

- 8l em#a6uetamies /omog4neo5

- Ko /ay gconcLentración

- Ko /ay m3s rea

o cam.ios de adsorción5

<os distintos t4rminos de la ecuación re#resentan:

- 8l #rimer t4rmino es la acumulación de soluto en elfluido móvil5

- 8l segundo t4rmino es la acumulación en el fluido 6ueest3 en los #oros5

- 8l tercer t4rmino es la acumulación de soluto adsor.idoen el sólido5

- 8l t4rmino cuarto es el de.ido al movimiento del fluido5



*ransferencia de materia

-

8l t4rmino de la iz6uieecuación de arri.a re#reacumulación de solut#art(culaN mientras 6uederec/a re#resenta la transa trav4s de la #el(cula5



-



-

Condiciones iniciales- C 40& 56 7 C5- # 40& 56 7 #8 4C56Condiciones de contorno para t 9 5- ,n 0 7 5& C 7 C5- ,n 0 7 :& ;C < ;0 7 5

- ,n la definición del modelo anterior s ♦ !e trata de un proceso isotermo&

contrario el modelo estaría incompletincluir los correspondientes balances d

♦ :as partículas de sólido pueden como esferas(

♦ Combinación lineal de resistransferencia de materia(



-



Obtención de los parámetros asociados almodelo

8l modelo de #orosidad 9nica descrito anteriormente, re6uiere #ara su com#letaa#licación del c3lculo de unos #ar3metros adicionales 6ue ser3n los siguientes:

- Difusividad molecular, Dm

- Coeficiente de dis#ersión a7ial, 8

- Coeficiente glo.al de transferencia de materia, ;m

- Coeficiente de transferencia de materia en la fase l(6uida, ;f

- Difusividad en los #oros, D#



=ariables de operación(

(A,-."/,0 ,A120

Tortuosidad (τ) De 345Densidad de la partícula (ρp)

De 6$7 a 5 g8cm6

Diámetro de partícula (Dp)

De 94: mmdependiendo

lasnecesidadesindustriales#

másrecomendable

6mm parades%idratación

(A,-."/,0 ,A120

Coeficientede difusión

efectiva Dab<

9$@@=@ 9=4cm3 8s

Tabla 2. Parámetros para alúmina.

Tabla 3. Parámetros para el citrato d

Tabla 1. Parámetros del equipo de adsorción.



Optimi0ación

8n general los com#uestos de alto #eso molecular, .a)a #resión de va#or alto#unto de e.ullición y alto (ndice de refracción son me)or adsor.idos5

- +a concentraci%n! Cuanto mayor sea la concentración, mayor ser3 el consumode esferas de al9mina5

- +a te)peratura! Cuanto m3s .a)a sea la tem#eratura, me)or ser3 la ca#acidadde adsorción5

> Presi%n5 Cuanto mayor sea la #resión, mayor ser3 la ca#acidad de adsorción5- "u)edad 5 Cuanto m3s .a)a sea la /umedad, mayor ser3 la ca#acidad de

adsorción5<a selectividad de adsorción de la al9mina activada #or diferentes iones est3 enfunción del #I 0intervalo de 5 a H5 25 8l valor de #I re6uerido #ara mantener laselectividad adecuada es inversamente #ro#orcional a la concentración del 3cidoc(trico55



+esultados y discusió

ifi i d l # i (



,specificaciones del ,#uipo(



,lección del adsorbente

? 8l an3lisis de la isoterma deadsorción+desorción seg9n el m4todoB8*, 6ue servir3 #ara evaluar lasu#erficie es#ec(fica del sólido y #arao.tener una distri.ución de tama!os de#oros5

? <a #orosimetr(a de mercurioN aun6uede.ido a las limitaciones t4cnicas #araconseguir grandes #resiones el tama!ode #oro m(nimo 6ue se #uede medirest3 limitado 5

? <os resultados o.tenidos con estast4cnicas #ara los adsor.entes en esteestudio 0se muestran 6ue el me)oradsor.ente es la al9mina25



Característicasdel )dsorbato



Discusión

.e)peratura<as reacciones de adsorción son normalmente e7ot4rmicasN #or tanto, el grado de adsorciacostum.ra a aumentar cuando disminuye la tem#eratura5 De acuerdo a la solu.ilidad se de.emane)ar diferentes tem#eraturas, esto #ara tener un mayor an3lisis y descri#ción de lisotermas, y encontrar la m3s ó#tima5p"

8l #I de la disolución en 6ue tiene lugar la adsorción influye en el grado de adsorción de.ido6ue los gru#os /idro7(licos adsor.en de forma .astante fuerte, la adsorción de otros iones vieneinfluenciada #or el #I de la solución5

Adem3s, el #I influye en la adsorción ya 6ue tam.i4n lo /ace en el grado de ionización de loscom#uestos 3cidos o .3sicos, el cual es un factor determinante de la adsorción5



Discusión

9rea superficial

- <a adsorción es un fenómeno su#erficial, como tal, el grado de adsorción es#ro#orcional al 3rea su#erficial es#ec(fica5

- <a velocidad de adsorción tendr(a 6ue evidenciar un aumento gradual en funciónde la inversa del di3metro de las #art(culas adsor.entes5

- <a velocidad y grado de adsorción #ara #art(culas de un determinado tama!otendr(an 6ue variar de forma a#ro7imadamente lineal con la dosificación deadsor.ente so.re un rango de dosificación5



Conclusiones

- "e dise!ó la eta#a de do1nstream del #roceso de #roducción de 3cido c(trico a#artir de Aspergillus niger , se!alando las eta#as del mismo y centr3ndonos en lafase de o.tención del #roducto a trav4s de un #roceso de adsorción de unasolución de citrato de sodio en una columna de lec/o fi)o, em#leando comoadsor.ente esferas de al9mina5

- "e realizó la o#timización del #roceso de adsorción a trav4s de las ecuaciones dedise!o y las varia.les de o#eración encontradas teóricamente, em#leando#rinci#almente la tem#eratura, #resión y #I5

- As( mismo, se esta.lecieron las condiciones ó#timas de o#eración del e6ui#o5



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