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BALANCE DE MASA Y

ENERGÍA

2.4 BALANCE DE MASA EN SISTEMAS
BIOLÓGICOS

M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez

Diseño de reactores bioquímicos
Un reactor bioquímico ya sea un fermentador o un biorreactor, provee todos los
servicios que son necesarios para el cultivo, tales como mezclado, termostatización,
suministro de oxígeno, entradas para adición de nutrientes, control del pH, etc. Por otra

parte,cuando se habla de sistemas de cultivo o, también, métodos de cultivo, se hace
referencia al modo de operar el biorreactor, esto es en forma continua o discontinua.

Para un componente cualquiera del cultivo, incluida la biomasa, se
puede plantear el siguiente balance de materia en el biorreactor (ver

Fig. 1).

Figura 1. Esquema de un
biorreactor con indicación de los
caudales y concentraciones ala
entrada y a la salida. La flecha
que rodea el eje del agitador
significa que el cultivo está
perfectamente mezclado.

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……..Ecuación (1)

En la ecuación (1), V es el volumen de cultivo, F1 es caudal de alimentación, F2 el de
salida, Ci1 la concentración del componente "i" en la alimentación y Ci la concentración
en el caudal de salida, la que, si el cultivo esta bien mezclado, se puede asumiridéntica

a la que hay dentro del biorreactor. Los restantes términos, rfi y rci se refieren a la
velocidad de formación y consumo del componente "i" respectivamente.
Por otra parte el volumen de cultivo variará en el tiempo según sean F1 y F2. Suponiendo que la
densidad del cultivo y de la alimentación son iguales resulta:
……..Ecuación (2)

Dependiendo como sean F1 y F2 surgen tres sistemas decultivo básicos:

Cultivo
continuo

…..(3)

Ambos caudales son
iguales y por la ec.
(2) es V constante,
por lo tanto la ec. (1)
se reduce a ec. (3)

El caudal de salida, F2, es nulo, por lo que V aumentará
en el tiempo en función del caudal de entrada, ec. (4).

Batch
alimentado

…..(4)

Ambos caudales son nulos por lo que V es constante y
en la ec. (1) se anulan los términos FlCi1 , F2Ci ; ec.(5).

Batch

…..(5)

Figura 2. Reactores bioquímicos
tubulares en torre

Diferencias entre procesos bioquímicos y químicos
Las conversiones bioquímicas con ayuda de microorganismos difieren de los procesos
puramente químicos en varios sentidos, particularmente en:

1.- La complejidad de la mezcla reaccionante.
2.- El incremento en la masa de microorganismos junto con la realización de latransformación bioquímica.
3.- La capacidad de los microorganismos de sintetizar sus propios catalizadores
(enzimas).
4.- Las condiciones suaves de temperatura y pH (normalmente).
5.- La dificultad del mantenimiento de la transformación bioquímica requerida
(estabilidad).
6.- Restricción de fase acuosa.
7.- Las concentraciones relativamente bajas de sustrato y productos.

Proceso químico:

Procesobioquímico:

Refinación de petróleo

Fermentación alcohólica

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA
El diseño de un fermentador se puede predecir si se conoce lo siguiente:
1.- Las características cinéticas de los componentes reaccionantes
y la influencia de las variables de operación, por ejemplo:
temperatura, presión, y pH sobre estas características.
2.- Las restricciones externas impuestas por la configuracióndel
fermentador, por ejemplo: tipo, geometría, y la velocidad de
eliminación de calor y la situación de superficie de intercambio
térmico.
3.- En general un fermentador se diseña mediante el uso de
ecuaciones que expresan los balances de materia, balances
de calor, velocidades de reacción y velocidades de fluido.

M.Q. Ubaldo Baños Rodríguez

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA
4.- El punto de partida es laley de conservación de materia aplicada a los componentes
reactivos del sistema (ecuaciones 1 y 2, ya mencionadas anteriormente).

5.- Si el espacio considerado es el volumen completo del fermentador, entonces se trata de
un balance de materia global, mientras que un balance de materia aplicado a un
elemento de fluido muy pequeño se define como un balance diferencial de materia.

Fermentador de...