Clase 3 Estequiometria Microbiana (1)

7/25/2019 Clase 3 Estequiometria Microbiana (1)

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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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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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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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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 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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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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PROCESO ANAEROBIO

Bo Potencial de biometanizacin


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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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BIOPROCESOS


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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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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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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
http://es.wikipedia.org/wiki/Methanopyrushttp://es.wikipedia.org/wiki/Methanopyrus


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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



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UNIVERSIDA

D

DESANTANDER

MAESTRIA

EN

SISTEMAS

ENERGTICOSAVANZADOS

MDUL

O:BIOMASA

Aguas residuales lixiviados

m g

Proceso aerobio Procesoanaerobio



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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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MAESTRIA

EN

SISTEMAS

ENERGTICOSAVANZADOS

MDUL

O:BIOMASA


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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BIO

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 =

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