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7/25/2019 Clase 3 Estequiometria Microbiana (1)
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DEIN
GENIERAQUMICA
BIOP
ROCESOS
ESTEQUIOMETRI DEL CRECIMIENTO
MICROBI NO Y FORM CIN DE
PRODUCTO
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INTRODUCCIN
Crecimiento microbiano
pseudomona aeruginosa
Formacin de producto
saccharomyces cerevisiae
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BIOP
ROCESOS
INTRODUCCIN
Fuente de carbonoFuente de nitrgeno
Calor ATP Reacc
Productos qumicos
Biomasa
APLICACIONES
Comparacin rendimientos $
Formular nutrientes de un medio
Valores tericos para analizar laviabilidad de un proceso
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BIOP
ROCESOS
INTRODUCCIN
Fuente de carbonoFuente de nitrgeno
Calor ATP Reacc
Productos qumicos
BiomasaFuente de carbono
Qumicamentedefinida Carbohidratos: Celulosa
Lpidos: Grasa, trigliceridos
Protenas: urea
Fuente de carbonoComplejas
Aguas residua
Residuos Agr
Efluentes
CB
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COMPOSICIN QUMICA DE LOS MICROORGANISMOS
Componentes celulares
Mayoritarios
C,O,H y N
Abundantes
P, S, K, Mg, Na
Minoritarios
Ca, Fe, Cu, Mn, Mo
ELEMENTO % P/P
C 50O 20N 14H 8P 3S 1K 1
Na 1
Escherichia coli
BACTER
C 46-52
N 10, 14
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ROCESOS
COMPOSICIN DE LOS MICROORGANISMOS
Composicin elemental para un microorganismo X
Anlisis Elemental de unmicroorganismo
Compuesto Porcentaje %P/PC 46,5H 6,94O 31N 10,85
Sales 5
1. Se normaliza la composicin sin ten
:46,5
95 100 = 48,79
H: ,
100 = 7,28
0:
100 = 32,53
N: ,
100 = 11,38
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COMPOSICIN DE LOS MICROORGANISMOS
Composicin elemental para un microorganismo X
2. Se calcula el nmero de tomos
:48,79
12 = 4,06
H: ,
= 7,28
0: ,
= 2,03
N: ,
=0,81
3. Se divide en el nmero de tomos d
:4,06
4,06= 1
H: ,
,= 1,79
0: ,
,= 0,5
N: ,
,=0,2
CH 1.79 O 0.5N 0.2
Comparar la frmula emprica estndar con las de otros microorganismos comopseucandida utilis
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COMPOSICIN DE LOS MICROORGANISMOS
Frmula emprica de la biomasa
CH 1.79 O 0.5N 0.
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COMPOSICIN QUMICA DEL SUSTRATO: Fuentes complej
Hea
Lignina
Bagazo de fique
Clula vegetal
Pare
CELULOSA
HEMICELULOSA
LIGNINA
Ejemplo de caso: Residuos lignocelulsicosLos bioprocesodesde elBIOQUMICO y
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COMPOSICIN QUMICA DEL SUSTRATO: Fuentes complej
ANLISIS ELEMENTAL Bagazo de fiqueCompuesto Porcentaje %P/P
C 35,58H 6,02O 47,44N 1,32
C32.9H66.9O32.9N1.0
Determinacin de la frmula emprica: Ejemplo bagazo de fique
1. Primero se obtienen los moles de cada elemento,
2. Dividir cada uno por el de menor valor
3. Reportar el resultado
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pseudomona aeruginosa
Objetivo del bioproceso: CRECIMIENTO MICROBIANO
+ + = + + Sustrato (S) Biomasa (x)
Obj i d l bi O C O C O
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Objetivo del bioproceso: FORMACIN DE PRODUCTO
+ + = + +
Sustrato (S) Producto (P)
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ECUACIONES ESTEQUIOMETRICAS
SUSTRATO
BIOMASA
PRODUCTO
CO2
+ + = + +
Sustrato (S) Biomasa (x) Producto (P)
Coeficiente de respiracin estequiometrico:RQ: moles de CO2 producidas por mol de 02consumida
=
Rendimiento
Y (salida / entrada)Y x/sY p/s
PROCESO AEROBIO
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EFLUENT.
ANAEROBIO
Retorno
de lodos
Lodos Activados
Sedimentador
Oxigeno
Efluente
Oxidacin Biolgica Separacin
DIGESTORCLORACION
PROCESO AEROBIO: Caso de ejemplo sistema de aguas residuales
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ECUACIONES ESTEQUIOMETRICAS
PROCESO ANAEROBIO
Bo Potencial de biometanizacin
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ECUACIONES ESTEQUIOMETRICAS
PROCESO ANAEROBIO
Bo Potencial de biometanizacin
Bo,th: Biomethane potential theoretical
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QU ES DIGESTIN ANAEROBIA DA?
DA es una tecnologa biolgica que en ausencia de oxgeno, descla materia orgnica
El rompimiento de la materia orgnica biodegradable produce rorgnicos estables y un biogs (mezcla de CH4 y CO2 principalment
Las condiciones anaerobias requieren la ausencia de comoxidantes* como oxgeno, nitratos, sulfatos
*Sustancias que tienen la capacidad de oxidar. Ellos ganan electrones, se reducen y las otras sustancias son oxidadas.
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QU ES DA?
En la naturaleza, la digestin
anaerobia toma lugar en
lugares donde la concentracin
de oxgeno es despreciable:
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DIGESTIN ANAEROBIA
VENTAJAS DE LA DA
ESTABILIZAR LA MATERIA ORGNICA: Urbano Vs rural
FACTIBLE PARA UNA AMPLIA VARIEDAD DE RESIDUOS Y EFLUENTES Cules conocemos?
REDUCE LAS EMISIONES DEL EFECTO INVERNADERO CALENTAMIENTO GLOBAL
BAJA PRODUCCIN DE LODO
ENERGA EN FORMA DE BIOGS
BAJOS COSTOS OPERACIONALES: DISEO DE LOS REACTORES
BAJO O NO NECESARIO USO DE COMPUESTOS QUMICOS
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BIOPROCESOS
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DIGESTIN ANAEROBIA
EL BIOGS
Los gases que se pueden encontrar en el biogs son:
Mayores componentes:
Metano CH
4
[60 70%]
Dixido de carbono CO
[40 30%]
Menores componentes:
Sulfuro de hidrgeno H
S
Hidrgeno H
Gas de amonio NH
3
El biogs es un gas rico en metano inflamable que resulta de lala descomposicin de los residuos orgnicos.
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DIGESTIN ANAEROBIA
EL BIOGS
El biogs puede ser utilizado en una unidad de combustin de calor y electricidadpara producir electricidad y otra forma de energa (vapor)
PCI metano: 35800 KJ/m3
PCI gas natural*: 37300 KJ/m3
*gas natural es una mezcla de metano, propano y butano
PCI biogs tiene un rango de 21300 a 23400KJ/m3 como funcin del %CH4
Estimacin del PCI biogs:
KJ/m3)=
%CH4.
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BIOPROCESOS
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LODO EFLUENTE
El lodo efluente es el producto de la materia orgnica no degradada, lisis micrEsta compuesto principalmente de nitrgeno y fosfro.
El uso de lodoefluente esta limitado
por:
Caracterizacin microbiolgica:Coliformes fecales, coliformes fecales, Salmonella sy huevos de helminto
Caracterizacin fisicoqumica:pH, nitrgeno, potasio, fsforo, azufre, cobre, zinc,calcio, magnesio, carbono orgnico oxidable
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BIOPROCESOS
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HIDRLISIS FERMENTACIN
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ACETOGNESIS METANOGNESIS
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BIOPROCESOS
CONCEPTOS BSICOS DA
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SUSTRATO
N E D
Se define como la materia prima del proceso: residuos, efluentes, etc..
CARACTERIZACIN DEL SUSTRATO
MATERIA ORGNICA:Slidos (ST, SV, SSV)DQODBOCOT
COMPUESTOS ORGNICOS:ProtenasLpidosCarbohidratosFibras: (celulosa, hemicelulosa, lignina)
NUTRIENTES:Nitrgeno total (TKN)Nitrgeno amoniacal(TAN)Fsforo total
PROPIEDADES CIDO BASE:pH
cidos grasos voltilesAlcalinidad
Composicin elemental:C,H,O, N, P, S
Metales pesadosCr, Co, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo,Ni, Zn, ..
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BIOPROCESOS
CONCEPTOS BSICOS DA
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BIOPROCESOS
INCULO
ActividadHidroltica
Actividad
Metanognica
ActividadAcidognica
Cuantificacin de azcaresreductores totales
Consorcio microbiano productor de biogs.Las actividades microbianas se realizan conSUSTRATOS QUIMICAMENTE DEFINIDOS
Cuantificacin de cidosgrasos voltiles
Cuantificacin de metano
Meth
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Tratamiento de aguas residuales
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ratam ento de aguas res duales
Aguas residuales domsticas
Planta de tratamiento de aguas
residuales Rio frio
CARACTERIZACINFISICOQUMICA
CARACTERIZACINMICROBIOLGICA
Tratamiento de aguas residuales
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UNIVERSIDA
D
DESANTANDER
MAESTRIA
EN
SISTEMAS
ENERGTICOSAVANZADOS
MDUL
O:BIOMASA
Aguas residuales lixiviados
m g
Proceso aerobio Procesoanaerobio
Tratamiento de aguas residuales
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BIOMASA RESIDUAL: Planta de tratamiento de agua residual CERVEC
PARMETRO UNIDAD INFLUENTE
DQO mg/l 3,300
DBO5 mg/l 2,200
SST mg/l 600
TKN mg/l 50
GRASAS Y ACEITES mg/l < 10
pH - 4-11
Temperatura C 28-38
g
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UNIVERSIDA
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MAESTRIA
EN
SISTEMAS
ENERGTICOSAVANZADOS
MDUL
O:BIOMASA
Tratamiento de aguas residuales
ECUACIONES ESTEQUIOMETRICAS:
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Comparacin aerobio-anaerobio
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BIO
PROCESOS
e.g. C6 H12 O6, sugarAEROBIC0
(CH2O)n + n O2 nCO2 + n H2O + biomasa Mucha energa
ANAEROBICO
(CH2O)n + n/2 CH4 + n/2 CO2 + biomasa + Poca energa
ECUACIONES ESTEQUIOMETRICAS: Grado de reduccin
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BIO
PROCESOS
AEROBIO
Glucosa + O2 => CO2 + Energa
ANAEROBIO
Glucosa => Butirato + Propionato + Acetato +
ENERGA FUENTE ORGNICA = f(ENERGA ALMACENADA, RUTAS METABLFuente orgnica
Cuantificar Energaalmacenada?
GRADO DE REDUCCIN
Almacenamiento deenerga
ECUACIONES ESTEQUIOMETRICAS: Grado de reduccin
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PROCESOS
PROCESOS BIOLGICOS
Procesos oxido-reduccin
AEROBIOSLa materia orgnica seoxida con 0
2
ANAEROBIOSLa materia orgnica seoxida con el oxgenopresente en nitratos,nitritos y sulfatos: NO2,NO3, SO4
GRADO DE REDUCCIN[]
Nmero de electronesdisponibles por tomo
de carbono
Grado de reduccin =