Proyecto Fin de carrera Diseño de una planta piloto para la producción de bioetanol Anexo 6

Transcripción

1 Proyecto Fin de carrera Dieño de una lanta iloto ara la roducción de bioetanol Aneo 6 ANEO 6 INÉTIA 6. Introducción uando e iembran microorganimo en un medio de cultivo aroiado, lo mimo comienzan a dividire activamente emleando lo nutriente que le aorta el medio de cultivo ara fabricar nuevo microorganimo. Ete roceo continúa hata que algún nutriente del medio de cultivo e agota, ete ería el utrato limitante. onecuentemente el crecimiento e detiene. También uede detenere el crecimiento or acumulación de alguna utancia inhibidora formada or la mima célula como uede er una alta concentración de alcohol. i e uone que en ete cao e detiene el crecimiento a caua del agotamiento del utrato limitante, e uede coniderar do aecto fundamentale que definen al crecimiento microbiano. Eto aecto erian, or un lado el etequiométrico, ya que la concentración final de microorganimo obtenido deenderá de la concentración y comoición del medio de cultivo, y or la otra arte el de tio cinético, el que dirá con qué velocidad e lleva a cabo el roceo. 6.2 recimiento celular Ante del inicio de la fermentación, el medio de cultivo contiene una gran cantidad y variedad de microorganimo como moho, bacteria, levadura, eora e incluo rotozoo. in embargo, on la levadura y bacteria la que emiezan a obrevivir y multilicare en ete medio, aún cuando la bacteria ermanecen durante gran arte del roceo en etado latente. Inicialmente el moto e un medio adecuado ara el crecimiento y oco a oco e va volviendo inhóito debido a la diminución de azúcare y nutriente y al incremento de la concentración de alcohol. uando el medio e favorable, la levadura e multilican or vía vegetativa aeual durante la mitoi, mientra que al final de la fermentación alcohólica, comienzan a reroducire eualmente or meioi, eñal de que el medio de vida e muy defavorable como conecuencia de la falta de nutriente. En el metabolimo celular, no todo el utrato e conumido ara la formación de nueva biomaa, ino que arte e emlea ara el mantenimiento celular, otra ara la roducción de roducto y otra arte e dirige al dearrollo celular. Por eto, urge el conceto de rendimiento global etequiométrico (teórico) y el aarente. El rendimiento etequiométrico e define como la cantidad de biomaa o roducto formado or la cantidad de utrato conumido con ea finalidad. El rendimiento etequiométrico ería la cantidad de biomaa o roducto reente entre la cantidad total de utrato conumido. El rendimiento teórico e difícil de hallar ya que el roceo e comlejo y no e uede averiguar qué cantidad de utrato va dirigido a la formación de nueva célula y a u funcione vitale. Proyecto Fin de carrera inética Página

2 Proyecto Fin de carrera Dieño de una lanta iloto ara la roducción de bioetanol Aneo 6 El crecimiento celular conta de cuatro fae, la rimera e refiere a la fae de latencia, donde la célula ermanecen inactiva. La egunda fae e la de crecimiento eonencial, el medio rico en nutriente roicia tal dearrollo hata llegar hata la tercera fae. Eta e la fae etacionaria, en ella el número de célula que crecen nueva e igual al número de célula que erecen. La última fae correonde con un medio hotil donde e carece de alimento ara el dearrollo de la biomaa y e llega a la muerte de tale organimo. Para el cao del microorganimo ecogido y el roceo a dearrollar, eta fae e dan entre 72 hora y 96 hora. a que también hay que contar que la muerte de tale microorganimo no ólo e debe a la ecaez de nutriente ino a la elevada concentración de alcohol. En la iguiente gráfica e uede areciar tale fae, en dicontinuo. Fig.30 Fae del crecimiento celular. 6.3 inética del crecimiento celular A ear de que le crecimiento de la célula e un fenómeno muy comlejo, a menudo e uede obtener una decrición global buena del mimo a travé de ecuacione relativamente encilla. Entre ella la má uada e la ecuación de Monod. Eta ecuación decribe el crecimiento celular en función de la dionibilidad de un utrato limitante y e uede erear de la iguiente manera: utrato () + élula () má célula () + Producto (P) r d µ m K + Donde r e la velocidad de crecimiento de la célula, µ m e la velocidad eecífica máima de crecimiento y K e la contante de Monod. E batante común erear la ecuación en función de la velocidad eecífica de crecimiento: m µ µ K + Proyecto Fin de carrera inética Página 2

3 Proyecto Fin de carrera Dieño de una lanta iloto ara la roducción de bioetanol Aneo 6 En la cual µ m e el máimo valor que uede alcanzar la velocidad de crecimiento cuando >> K y la concentracione del reto de nutriente no han cambiado de forma coniderable. K e el valor de la concentración del nutriente limitante a la que la velocidad eecífica de crecimiento e la mitad de la máima. Para valore de inferiore a K, la velocidad de crecimiento deende de una forma lineal de, mientra que ara valore ueriore, el valor de µ e hace indeendiente de. Uno de lo inconveniente que lantea el uo de la ecuación de Monod e la correcta determinación del valor de K, ya que ete e normalmente muy equeño y no e fácil de averiguar. La ecuación de Monod e muy imle y no iemre ermite obtener una buena rereentación de lo dato de crecimiento de un microorganimo. Por ello e han dearrollado otro modelo má comlejo baado en ete. El modelo de Monod decribe ólo a lo eriodo de crecimiento eonencial y a la fae etacionaria. Fig.3 Deendencia de la velocidad eecífica de crecimiento reecto a la concentración de utrato limitante egún la ecuación de Monod. En término má comlejo e uede uar la ecuación logítica, e un modelo encillo donde e conidera que la velocidad de crecimiento de la célula ólo deende de la concentración de la célula ero incluye ademá un término de inhibición roorcional al cuadrado de la concentración de biomaa. d k β Donde k e un término análogo al de la ecuación de Malthu y β e una contante del término de inhibición Rendimiento omo e dijo anteriormente lo rendimiento e definen como la relación entre el roducto obtenido y el utrato conumido, uualmente referido a la fuente de carbono y energía. El rendimiento celular e define a travé del conceto de nutriente limitante. Un nutriente limitante e aquel utrato que cuyo conumo controla la velocidad de roducción de biomaa. E decir que la velocidad de crecimiento celular e función de Proyecto Fin de carrera inética Página 3

4 Proyecto Fin de carrera Dieño de una lanta iloto ara la roducción de bioetanol Aneo 6 tal nutriente. En mucho cao eiten má de un nutriente u otro factore que intervienen en dicha velocidad, ero ara imlificar e conidera iemre que ólo uno e el eencial y el má imortante. A travé de ete conceto de utrato limitante e uede definir el rendimiento del roceo. [3] Χ Biomaa Pr oducida onumoutrato g ec a gconumido El utrato normalmente e la fuente de carbono. El rendimiento etá en función de tal fuente de arbono uada y la condicione del roceo. Puede variar durante el roceo. El conumo de utrato no etá dedicado ólo a la roducción de biomaa. Éte tiene tre cometido, ara aimilación de lo microorganimo como material celular, roviión de energía ara la íntei celular y energía ara el mantenimiento del cultivo. Entonce la iguiente ecuación rereenta el conumo total del utrato: [4] ( ) + ( ) + ( ) M M utrato total utrato emleado aimilación materia celular + Proviión Energía íntei celular + Energía mantenimiento cultivo on la ayuda de la ecuación 3 y la 4 e tiene: ( ) M ( Χ) ( ) + ( Χ) ( ) M + ( Χ) El rendimiento teórico e define como / ( ) M que e el utrato emleado en la aimilación de lo microorganimo como material celular. También e llama el rendimiento del crecimiento. Ete rendimiento ermanece contante i la comoición celular e mantiene contante. in embargo el rendimiento global deenderá de la fracción de utrato conumido en cada una de la actividade celulare. El rendimiento definido mediante la ecuación e refiere al rendimiento celular, eiten otro rendimiento referido a otro arámetro del roceo o en función de otra variable. Eto ueden er como lo que iguen a continuación: O Χ O Biomaa Pr oducida onumooígeno g ec a goígenoonumido g ec a moloigenoonumido Proyecto Fin de carrera inética Página 4

5 Proyecto Fin de carrera Dieño de una lanta iloto ara la roducción de bioetanol Aneo 6 P roducto) P Pr oducto Pr oducido g / molp (Rendimiento del onumoutrato g / molconumido O2 Pr oducido MolO2 Pr oducido onumoutrato Molonumido g ec a TaarecimientoMolar Molconumido on todo eto e uede ecribir la iguiente ecuación: r ( ) r ( ) rp ( ) r P Donde r (mol /m 3 ) e la velocidad de deaarición de utrato, r ( mol /m 3 ) e la velocidad de aarición de biomaa, r (mol P/m 3 ) e la velocidad de aarición de roducto y r c (mol O 2 /m 3 ) e la velocidad de aarición de O 2. Otra manera de definir el rendimiento e a travé del calor o la energía de reacción generada or el conumo de utrato. La generación de calor e el reultado del metabolimo energético y de crecimiento, or ello eite una relación entre el calor roducido y la energía utilizada del utrato. e introduce un nuevo factor de rendimiento, (gramo de biomaa/caloría generada) H H Donde H y H on la entalía de combutión del utrato y del material celular reectivamente. Eta ecuación rereenta un balance aroimado de energía ara un crecimiento aerobio. Lo valore de deenden de la eecie celular concreta y del tio de utrato conumido. En la iguiente tabla e ueden ver alguno rendimiento celulare obre la melaza como fuente de carbono. Tabla 4. Rendimiento caracterítico de la melaza utrato / /O Glucoa, melaza, almidón 0,5,47 0,42 En definitiva, lo rendimiento que e alicarán en ete roceo en cuetión erán lo referido al crecimiento celular y el roducto obtenido, todo ello reecto del conumo de utrato. E decir, que a travé de tale rendimiento e obtendrá el arovechamiento de lo nutriente ara la obtención de etanol. Proyecto Fin de carrera inética Página 5

6 Proyecto Fin de carrera Dieño de una lanta iloto ara la roducción de bioetanol Aneo inética del conumo de utrato El utrato conumido or el microorganimo tiene como finalidad el crecimiento celular, mantenimiento de la actividade vitale y la generación de roducto, ara el cao donde la formación de roducto no eté aociada de forma directa al metabolimo energético. Para modelar la variación de la concentración del utrato con el tiemo e roonen divera ecuacione. La rimera e la má utilizada ero no e iemre alicable. Por ello aarecen la demá ecuacione. d d d d d in formación de roducto y in mantenimiento d m in formación de roducto m in formación de biomaa ni de roducto d dp in mantenimiento celular La ecuación cinética global erá: d d dp m 6.6 inética de formación de roducto De manera análoga al modelo cinético de conumo de utrato e lantean diferente ecuacione ara modelar la formación de roducto. dp d dp mediante el uo de la do ecuacione anteriore e obtiene el modelo de Luediking- Piret, arcialmente aociado al crecimiento. dp d α + β La evolución del roducto, del utrato y de la biomaa conforme trancurre el tiemo dentro del roceo la muetra la iguiente gráfica. d Proyecto Fin de carrera inética Página 6

7 Proyecto Fin de carrera Dieño de una lanta iloto ara la roducción de bioetanol Aneo 6 Evolución,,P,,P (g/l) t (h) P Fig.32 Evolución del utrato, de la biomaa y del roducto reecto el tiemo Proyecto Fin de carrera inética Página 7