Balance de materiales

SEPARATA IV

ESTEQUIOMETRIA II

Problema

Durante la neutralizacin de un afluente acido se utiliza CaO comercial para la neutralizacin comercial con una pureza del 93%, considerando que el afluente tiene una acidez del 2.1% (expresado como HCl) determinar la cantidad CaO requerido Si se debe tratar 1000 m3Se debe adicionar un 10% de exceso de CaO comercial.

Para utilizar el CaO, se debe preparar un lechada al 10% con agua de acuerdo a la siguiente reaccin

CaO + H2O ( Ca(OH)2Realizar el respectivo balance de materiales.Calculo de la Demanda Bioqumica de Oxigeno Terica (DTeO)En base a la oxidacin total de cada uno de los compuestos que conforman el efluente.

Para lo cual emplearemos la Demanda Terica de Oxigeno como un parmetro de evaluacin de la Demanda Bioqumica de oxigeno.

Calculo de la DTeO, de las protenas.

Empleado una protena estndar constituida por 200 aminocidos (Bohinski, 1991)

Calculo de la DTeO Para el Nitrgeno

Calculo de DTeO para la Grasa

Consideremos el cido palmtico, C16H32O2. Para oxidar completamente esta molcula, dando CO2 y H2O, se necesitan 23 molculas de oxgeno

Calculo de la DTeO para carbohidratos

PM. 180

Oxigeno consumido: 192 g

DTeO: 1,07 gde O2/mol g de glucosaEjemplo Calcular la DTeO para la glicina

Formula:

Solucion

La DTeO ser: 3,5 moles de O2/ mol de glicina 112 g O2 /mol de glicina

Calcular la DTeO para un residuo que tiene:325 mg/l de carbono

50 mg/l de nitroegneo organico

75 mg/l de nitrgeno amoniacal

5 mg/l de nitritos

Ecuaciones

1. Para el carbono

2. Para el Nitrgeno orgnico amoniacal

3. Para el nitrgeno de nitritos

4. La DTeO ser

Para la estimacin de la materia orgnica en el agua se han definido tres parmetros:

DBO, Demanda Biolgica de Oxgeno (mg O2/ litro), es la cantidad de oxgeno necesario para oxidar toda la materia presente en el agua, esta oxidacin es mediante bacterias.

DQO, Demanda Qumica de Oxgeno (mg O2 / litro), es la cantidad de oxgeno necesario para oxidar la materia presente en el agua, estaoxidacines qumica, v.g., dicromato potsico, aadido a una muestra a 150 C, hasta que no queda nada por oxidar, la cantidad de dicromato consumida es proporcional a la cantidad de oxgeno.

COT, Carbn Orgnico Total, Mide la cantidad de carbono procedente dela materia orgnica, se realiza por oxidacin selectiva de carbono para formar CO2.

Para una misma muestrs, la DQO es mayor que la DBO, y la COT suele estar entre los dos valores anteriores.

La comparacin de la DQO y DBO, no da elcarcterde biodegradable de un agua, i.e.,

DBO/DQO < 0,2: Agua poco biodegradable

DBO/DQO < 0,4: Agua Biodegradable

DBO/DQO > 0,4: Agua muy Biodegradable

III NEUTRALIZACION DE ACEITE CRUDO1.Durante el del aceite de aceite, se realiza un tratamiento previo que consiste en neutralizar la acidez que tiene el aceite crudo con NaOH. Si se tiene 1000 galones de aceite crudo (1 galon = 3,785 L; densidad = 0,95) calcular la cantidad de NaOH que se requiere. Considere un ndice de acidez de 1,05% como acido Oleico.

2.Utilizando los datos anteriores, pero considerando NaOH comercial con una pureza del 96%, determinar la cantidad de soda que requiere.

3.Industrialmente y con el propsito de completar la reaccin se adiciona siempre un porcentaje adicional, utilizando un exceso del 5%, determinar con los datos anteriores la cantidad de soda comercial que se requiere. 4.Durante el procesamiento de refinacin de aceite, se utiliza soda caustica comercial para la neutralizacin del aceite crudo, esta soda caustica comercial tiene una pureza del 93%, considerando que el aceite tiene una acidez libre del 2.1% (como cido oleico), determinar la cantidad de hidrxido de sodio requerido, la cantidad de borra (oleato de sodio). Si se debe tratar 1000 galones de aceite ( 1galor = 3,785 litros, densidad = 0,97).

Considerando la informacin del problema anterior determine la cantidad de soda requerida si se debe adicionar un 10% de exceso de soda comercial.

IV NEUTRALIZACION EFLUENTES ACIDOS

1 Cierto efluente acido, debe ser neutralizado antes de ser vertido al desage, utilizando oxido de calcio (CaO) que al adicionarse agua se convierte en Ca(OH)2; para lo cual se tomo una muestra de 100 ml del efluente y se neutralizo con una solucin al 2%, de Ca(OH)2, requiriendo 2,5 ml para su neutralizacin, determinar la cantidad de CaO requerida, para neutralizacin un volumen de 5 m3, del efluente antes de vertido al desage.2. Realice los mismos clculos utilizando un exceso del 5% de Ca(OH)2 y determinando la cantidad de CaO utilizado3 Durante la neutralizacin de un afluente acido se utiliza CaO comercial para la neutralizacin comercial con una pureza del 93%, considerando que el afluente tiene una acidez del 2.1% (expresado como HCl) determinar la cantidad CaO requerido Si se debe tratar 1000 m3 Se debe adicionar un 10% de exceso de CaO comercial.

Para utilizar el CaO, se debe preparar un lechada al 10% con agua de acuerdo a la siguiente reaccin

CaO + H2O ( Ca(OH)2Realizar el respectivo balance de materiales.

III Produccin de biomasa aerbica

1. Cuntos Kg. de sacarosa se requiere para producir 150 Kg. de biomasa empleando la reaccin estequiomtricas, calcule los reactivos y productos generados?

C12 H22 012 + 3.205 02 + 0.61 NH3

sacarosa

C3,72 H6.11 O1.95 N0.61 + 3.30 C02 +4.29 H 20 + 387 Kcal

biomasa

Tenemos que segn la ecuacin estequiomtricas tenemos que:

0.585 mol de sacarosa producen 1 mol de biomasa.

1 mol de sacarosa es = 478 Kg, entonces tenemos que:

0.585 mol de sacarosa as = 279.63 Kg

1 mol de biomasa es = 96.60 Kg

De estas dos premisas tenemos:

279.63 Kg de sacarosa 96.6 Kg de biomasa

X .150 Kg de biomasa

X = 434.208 Kg sacarosa.

Rpta: Para producir 150 Kg de biomasa, se necesita 434.208 Kg de sacarosa.

2. Utilizando 15 de sacarosa cuantos Kg. de biomasa se producirn. Empleando la ecuacin estequiometria, calcule los reactivos y productos generados.

C12 H22 012 + 3.205 02 + 0.61 NH3

sacarosa

C3,72 H6.11 O1.95 N0.61 + 3.30 C02 +4.29 H 20 + 387 Kcal

biomasa

Tenemos que segn la ecuacin estequiometria tenemos que:

0.585 mol de sacarosa producen 1 mol de biomasa.

1 mol de sacarosa es = 478 Kg, entonces tenemos que:

X mol de sacarosa = 15 Kg de sacarosa

X = 0.03138 mol sacarosa.

0.585 mol sacarosa. 1 mol de biomasa

0.03138 mol sacarosa. X mol de biomasa

X = 0.05364 mol de biomasa.

1 mol de biomasa 96.60 Kg

0.05364 mol de biomasa.. X Kg

X = 5.18 Kg.

Rpta: 15 Kg de sacarosa producirn 5.18 Kg de biomasa.

3. Qu factores requiere la levadura no contemplados en la reaccin estequiometria?

Dentro de los factores no contemplados tenemos:

- La Fuente de nitrgeno (N), que debe estar en concentraciones para satisfacer la ecuacin, puede ser 0.61 moles de NH3 o sea 10.37g de amoniaco, lo que representa 8.54g de N2.

- Tambin se necesita vitaminas del grupo B como biotina, tiamina, cido pantotnico, etc.

4. Por qu la seleccin de remolacha o caa de azcar?

Se elige la remolacha por que rene la mayor parte de las condiciones. Ya que se usa la melaza como sustrato limitante.

IV Produccin de etanol

5. Cuntos gramos de etanol se pueden producir a partir de 100g de glucosa?

La reaccin de la glucosa es la siguiente:

C6 H12 06 2 C2H5 0H + 2CO2

Glucosa Etanol Dixido de carbono

1 mol de glucosa pesa 30g.

1 mol de etanol pesa 23g.

1 mol glucosa ----------------------( 30g

X (--------------------------100g.

X = 3.33 mol glucosa.

1 mol glucosa----------------------( 1 mol etanol

3.33 mol glucosa ------------------( 3.33 mol etanol.

1mol de etanol --------------------( 23g.

3.33 mol etano---------------------( X

X = 76.59g

Rpta: Se pueden producir 76.59g de etanol.

6. La glucosa de la uva por fermentacin alcohol etlico segn la reaccin:

C6 H12 06 2 C2H5 0H + 2CO2

Glucosa Etanol Dixido de carbono

El alcohol mezclado con resto del mosto constituye el vino.

Cunto alcohol etlico se obtendr a partir de 500 Kg. de glucosa?

Cuntos litros de CO2 se desprenden a 25C y 1 Atm?

1 mol de glucosa ------------- 0.030 Kg glucosa

X mol ---------------- 500 Kg glucosa

X = 16 666.66 mol. Glucosa.

1 mol de glucosa ------genera----------( 1 mol de etanol

16 666.66 mol glucosa -------------------( 16 666.66 mol etanol

1mol de etanol ---------------------- 0.023Kg

16 666.66 mol etanol--------------- X

X = 383.33 Kg etanol.

7. La fermentacin de la glucosa para producir alcohol etlico tiene lugar de acuerdo a la siguiente ecuacin:

C6 H12 06 2 C2H5 0H + 2CO2

Glucosa Etanol Dixido de carbono

Qu masa de alcohol etlico se obtiene a partir de 4.25 Kg de glucosa suponer un rendimiento de 25%?

1 mol de glucosa ------------- 0.030 Kg glucosa

X mol ---------------- 4.25 Kg glucosa

X = 141.67 mol. Glucosa.

1 mol de glucosa ------genera---------------------------( 1 mol de etanol

141.67 mol glucosa ------rendimiento 25%-------------( 35.42 mol etanol

1mol de etanol ---------------------- 0.023Kg

35.42 mol etanol---------------------- X

X = 0.81 Kg etanol.

Rpta: Considerando 4.25 Kg. de glucosa con un rendimiento del 25% se obtiene 0.81 Kg de etanol.

V. Produccin de acido actico

8. La formacin de acido actico resulta de la oxidacin del alcohol por la bacteria del vinagre en presencia del oxgeno del aire. Estas bacterias a diferencias de las levaduras productoras de alcohol requieren un suministro generoso de oxgeno para su crecimiento y actividad. El cambio que ocurre es descrito generalmente por la ecuacin:

C2 H5 OH + O2 + acetobacter aceti CH3COOH + H2O Alcohol Bactria Acido Actico Agua

1.- Determinar la cantidad de cido actico que se forma a partir de 100Kg. de etanol.

1 mol de etanol C2 H6 O tiene un peso molecular: 66g.

C (2) 22 44

H (6) 1 6

O (1) 16 16

66g.

1 mol de cido actico C2H4O2 tiene un peso molecular: 80g.

C (2) 22 44

H (4) 1 4

O (2) 16 32

80g.

1 mol de etanol -----------------( 1 mol cido actico

1mol de etanol.....66g.

X.... 100Kg.

X = 1.515 mol etanol.

1 mol de cido actico.80g.

1.515 mol... X

X = 121.20 Kg. cido actico

Rpta: A partir de 100 Kg. de etanol se producirn 121.20 Kg. cido actico.

2.- Considerando las ecuaciones anteriores de fermentacin alcohlicas determinar cuantos Kg. de sacarosa se requiere para producir 50Kg. de acido actico.

C12 H22 012 + 3.205 02 + 0.61 NH3------( C3,72 H6.11 O1.95 N0.61 + 3.30 C02 + 4.29 H20+ 387 Kcal.

Sacarosa Biomasa

Podemos sugerir como ecuacin de fermentacin alcohlica lo siguiente:

C12 H22 O12 + O2 -----------------------( 5 [CH3 COOH] + 2CO2 + H2O.

0.585 mol Sacarosa 1 mol de Acido actico

Considerando:

0.585 mol de sacarosa 1 mol acido actico.

1 mol de acido actico.80Kg.

X mol. 50 Kg

X = 0.625 mol.

0.585 mol sacarosa 1 mol acido actico

X 0.625 mol acido actico

X = 0.366 mol sacarosa.

0.585 mol sacarosa.279.63 Kg.

0.366 mol.. X

X = 174.769 Kg. de sacarosa.

Rpta: Para producir 50 Kg. de acido actico se necesita 174.769 Kg. de sacarosa.

9. Si la densidad del alcohol es de 80 Gay Lussac que es equivalente a 0.86 g/cm3.

Calcular el volumen en litros que se obtiene fermentando 50 Kg. glucosa y si el alcohol obtenido despus de la destilacin es de 80 Gay Lussac?

C6 H12 06 2 C2H5 0H + Residuo + 2CO2

Glucosa Etanol Dixido de carbono

1 mol de glucosa..0.030Kg.

X 50 Kg

X = 1 666.67 mol glucosa.

1 mol de glucosa --------------------( 1 mol de etanol.

1 mol de etanol---------------------------- 0.023 Kg.

1 666.67 mol glucosa X

X = 38.33 Kg

Tenemos que la densidad= 0.86 g/cm3 = m/v

38330 g / 0.86 = X cm3

X = 44 569.77 cm3 X = 44.56 Lt

Rpta: El volumen que se obtiene de fermentar 50 Kg de glucosa es 44.56 Lt.

10. Problema Integral:Si tiene un bioreactor conteniendo 1500 Lt (densidad=1.002g/ml3), conteniendo melaza diluida al 20% con un contenido en sacarosa del 12% en solucin, el proceso de fermentacin hace una bioconversin del 95% de la sacarosa.

El 50% del destilado sirve para la obtencin etanol de 83g Lusac.

El otro 50% sirve para la bioconversin 80% de etanol a acido actico.

Determinar la cantidad de etanol y vinagre que se obtiene de la fermentacin de la melaza.

C12 H22 012 + 3.205 02 + 0.61 NH3 C3,72 H6.11 O1.95 N0.61 + 3.30 C02 +4.29 H 20 + 387 Kcal

Sacarosa

biomasaTenemos lo siguiente:

Volumen: 1500Lt

Densidad: 1.002g/ml3Cantidad de melaza: 20% = 300.00 ml3 Masa = 300.60g

El contenido de sacarosa es el 12% = 36.072g. conversin al 95% 34.27g. en:

50% = 17.13g.

C12 H22 012 4 C2H5 0H + 4CO2 Sacarosa Etanol Dixido de carbono. 1 mol de sacarosa pesa 478g.

1 mol sacarosa --------------( 478 Kg

X (------------- 17.13g sacarosa.

X = 0.036 mol sacarosa.

1 mol sacarosa ---------------( 2 mol etanol

0.036 mol sacarosa ---------( X

X = 0.072 mol etanol.

1 mol de etanol --------------( Pesa 23g.

0.072 mol etanol -------------( X

X = 1.656 g.

50% = 17.13g. 20% etanol.

80% cido actico.

C12 H22 012 4 C2H5 0H + 4CO2 Sacarosa Etanol Dixido de carbono.C2 H5 OH + O2 + acetobacter aceti CH3COOH + H2O

Alcohol Bacteria Acido Actico Agua.

Con 17.13g de etanol se obtiene 0.072 mol de etanol. Entonces se tiene lo siguiente:

20% se convierte en etanol = 0.0144 mol etanol.

1 mol de etanol -----------( 23g.

0.0144 mol de etanol ------( X

X = 0.3312g. etanol.

Considerando que 1 mol de etanol -----------------( 1 mol cido actico.

80% = 0.0576 mol etanol se convierte en 0.0576 mol acido actico.

1 mol de cido actico -----------( 30g.

0.0576 mol de acido actico ----( X

X = 1.728g. cido actico

Rpta: con la fermentacin de melaza se obtiene 1.728 g de acido actico y 1.9872g de etanol.

1. Definir el rendimiento celular.

Y x/S = dx Y x/ S = x

dS S

Rpta: El rendimiento celular representa los C-moles de biomasa formada por cada C-mol de fuente de Carbono y Energa consumida.

Los C-mol de biomasa, es la cantidad de biomasa que contiene un tomo gramo de carbono.

2. Definir el rendimiento en producto.

Y P/S = dP Y P/ S = P

dS S

Rpta: Son los rendimientos de biomasa y cada producto respectivamente.

3. Frmula de la biomasa de la glucosa en funcin a un tomo de carbono.

Glucosa: C6 H12 06 -------( C H12/6 O6/6 -------( CH2O

C = 46.5

Atm C = 3.875

3.875 / 3.875 = 1

H = 6.49

Atm C = 3.25

3.25 / 3.875 = 0.838

O = 31.0

Atm C = 1.9375

1.9375 / 3.875 = 0.50

La frmula de la biomasa ser: CH0.838O0.501 C- mol - biomasa = 12 + 0.838 + (16)(0.50) = 21.93g.

0.95

4. Si C6 H12 06 -------( 2 C2H5 0H + 2CO2

Cual ser su valor de Y P/S terico conociendo que:

Y P/S = Peso - C2H5 OH = 46 = 0.256

Peso C6H12 O6 180

Rpta: El valor de Y P/S es 0.2565. Si se tiene un rendimiento de produccin de etanol del orden del 90.5% Cul ser el valor de Y P/S?

Y P/S = Peso - C2H5 OH = 46 = (0.256) (0.905) = 0.2317

Peso C6H12 06 180

Rpta: El valor de Y P/S = 0.2317

Cul ser el valor de Y P/S si sobre ese rendimiento del 90.5% de etanol se procede a realizar una fermentacin actica con un rendimiento 80%.

Y P/S = Peso CH3 COOH = 60 = 60 (1.4413) (0.80) = 1.15

Peso C2H5 OH 46 (0.905) 41.63

Rpta: El valor de Y P/S = 1.15.

Durante la fermentacin alcohlica se obtuvieron los siguientes datos Tiempo (h)% Slidos remanentes

De glucosaProduccin de CO2Produccin de etanol

015

212

411

610

89

108,9

128,3

148

167,5

186,9

205,0

224,3

MgVctor Terry C

Pgina 19 de 19

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