Procesos Químicos y Bioprocesos: Tipos, Etapas y Equipos

Procesos Químicos: Características y Clasificación

Proceso Químico: Sucesión ordenada de operaciones físicas y/o químicas interconectadas en las que unos productos se transforman en otros o en el mismo producto, pero con otras características.

Operaciones Físicas

• Etapa de acondicionamiento de las materias primas (mezclado, triturado, etc.).
• Etapa de preparación del producto (procesos de separación [extracción, destilación], operaciones de purificación).

Operaciones Químicas

• Son la etapa principal (transformación química de los productos).
• También se emplean en operaciones secundarias para el aprovechamiento de algunos subproductos o el tratamiento de subproductos.

Clasificación de los Procesos Químicos

Según su Desarrollo en el Tiempo

• Discontinuos: El proceso se realiza por etapas o por cargas, de manera que presenta un tiempo muerto para limpiar los equipos y cargarlos.
• Semicontinuos: Una o más corrientes trabajan de forma continua y otra u otras de forma discontinua.
• Continuos: Proceso que se desarrolla en el tiempo sin interrupción, es decir, se produce continuamente una alimentación y una salida de producto.

Según el Intercambio de Materia

• Abierto: Intercambia materia con el exterior (procesos continuos o semicontinuos).
• Cerrado: No intercambia materia con el exterior (proceso discontinuo).

Según el Mantenimiento de las Condiciones de Operación

• Estacionarios: Estabilidad tal que las operaciones no varían con respecto al tiempo (procesos continuos).
• Transitorios: Las propiedades físicas y químicas varían de forma continua con el tiempo (procesos continuos y semicontinuos, y en algunos casos, continuos).

Según el Intercambio de Calor con el Exterior

• Adiabáticos: No intercambian calor con el exterior, son procesos aislados.
• Isotérmicos: Intercambian calor para mantener la temperatura constante.
• Politérmicos: Se establece un programa de temperaturas.

Según el Número de Fases

• Homogéneas: Una sola fase.
• Heterogéneas: Más de una fase.

Según el Tipo de Contacto entre las Dos Fases

• Paralelas: El contacto se realiza en la misma dirección y sentido.
• Contracorriente: El contacto se realiza en la misma dirección, pero en sentido contrario.
• Corrientes Cruzadas: El contacto es en corrientes con diferente dirección.

Operaciones Unitarias y Bioprocesos

Operación Unitaria

Cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación de las materias implicadas en un proceso químico. La instalación donde se realiza una operación determinada constituye una unidad de proceso, cuyo diseño es específico y similar cualesquiera que sean el proceso, el tipo y las condiciones de las materias tratadas. Ejemplo: Destilación.

Bioproceso

Son procesos que se llevan a cabo en condiciones de presión y temperatura similares a las ambientales y valores de pH próximos al neutro (lo que hace que sean más económicos).

Los tipos de transformaciones que se llevan a cabo en un bioproceso son: síntesis celular, producción enzimática, producción de metabolitos (primarios y secundarios), procesos de transformación de materiales (por acción enzimática o microbiana), procesos de destrucción de materia biológica, hidrólisis y operaciones de acondicionamiento o de separación (purificación de productos).

Etapas Generales de un Bioproceso

1. Análisis de células.
2. Selección y cultivo sólido de células.
3. Cultivo líquido a pequeña escala.
4. Biorreactor a escala laboratorio.
5. Biorreactor a escala piloto.
6. Proceso a escala industrial.
7. Recuperación del producto.
8. Envasado y venta.

Diagramas de Bloques

Representación gráfica de las operaciones que constituyen un proceso, así como las corrientes que intervienen en cada una de ellas, de forma que se facilita la visualización de la relación entre las variables que interfieren en el sistema. Cada operación es un bloque, cada corriente una flecha.

Ecuaciones, Análisis Dimensional y Leyes Fundamentales

Requisitos para que una Ecuación sea Válida

Una ecuación es utilizable directamente con las unidades de cualquier sistema de unidades solo si la ecuación es homogénea, uniforme y acorde. Antes de aplicar una ecuación determinada es necesario realizar un análisis de las dimensiones (homogénea) y de las unidades (uniforme y acorde) que contiene.

Análisis Dimensional

Es un instrumento matemático que, una vez conocidas todas las variables implicadas en un fenómeno, permite agruparlas en un número reducido de razones o números adimensionales, mediante los cuales se simplifica y hace asequible la experimentación necesaria para hallar la ecuación que las relaciona.

Ley de Fourier

Se puede deducir una ecuación cinética del transporte de energía calorífica, aplicable no solo a un fluido en reposo o en régimen laminar, sino también a un sólido. Establece que el flujo de calor a través de una superficie o un área es proporcional a la diferencia de temperaturas entre los distintos puntos del cuerpo (gradiente de temperaturas).

Ley de Fick

Ecuación cinética que expresa la velocidad de transporte de materia por mecanismo molecular.

Teorema de Buckingham

“Se dice que una serie de números adimensionales es completa cuando todos ellos son independientes entre sí, y cualquier otro que pudiera formarse con las mismas variables sería combinación lineal de dos o más de los de la serie completa”.

¿Cuándo una Ecuación es Adimensional? Requisitos

Es adimensional cuando en una ecuación su combinación de variables con sus respectivas dimensiones se anulan. Recibe el nombre de número, grupo o razón adimensional y su valor es siempre el mismo, no importa el sistema de unidades que se utilice, siempre que estas sean acordes.

Ejemplo: Nº de Reynolds

Re = u × d × ρ / μ

u = velocidad con la que circula un fluido = L × t^-1
d = diámetro de la tubería = L
ρ = densidad del fluido = M × L^-3
μ = viscosidad del fluido = M × L^-1 × t^-1

Transferencia de Calor por Convección

¿Qué es la Transmisión de Calor por Convección? Tipos y Ecuación

La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales, la evaporación del agua o fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido (propagación por diferencia de densidad de fluidos).

Hay dos tipos de convección, natural o forzada. La ecuación que la rige se conoce como Ley de Newton del transporte de cantidad de movimiento.

Operaciones de Separación

Evaporación

Un evaporador es un intercambiador de calor cuyo objetivo es el de concentrar una solución obteniéndose vapor del disolvente. Se emplea en industrias en las que se desee aprovechar el concentrado (concentración de leche) o aprovechar el disolvente (desalinización del agua de mar).

Normalmente, se disponen de varios evaporadores en serie en los que el vapor generado en uno de ellos se utiliza como medio de calefacción para el siguiente (evaporadores de múltiple efecto).

Condensación

Consiste en licuar un vapor retirando un calor equivalente a su calor latente de vaporización, empleando para ello un líquido más frío denominado refrigerante.
Se emplea en muchas ocasiones como operación complementaria de otras más relevantes en el proceso, como es el caso de la condensación del vapor de una destilación para dar lugar al destilado.

Sedimentación

Es una operación de separación sólido-líquido en la que las partículas sólidas se separan debido a la diferencia de densidad entre las dos fases.
Inicialmente se tiene una suspensión de concentración uniforme. A medida que pasa el tiempo, las partículas sólidas, al ser más densas que el líquido, por acción de la fuerza de gravedad, se van depositando en el fondo del sedimentador.

Clasificación Hidráulica

Consiste en la separación fraccionada de las partículas sólidas que están en suspensión en función de su forma, tamaño y densidad, variables que determinan la velocidad de sedimentación de las distintas partículas.

Flotación

Se basa en la diferencia de densidades entre un líquido y una partícula sólida recubierta de burbujas de aire. El conjunto formado por la partícula sólida y la burbuja de gas presenta una densidad aparente menor que la del líquido, por lo que el conjunto flota, quedando en la superficie del líquido.

El que las partículas de sólido se recubran de burbujas de gas se consigue burbujeando aire y añadiendo los aditivos necesarios para modificar la mojabilidad del sólido (agentes de flotación, tensioactivos).

Cristalización

Se denomina cristalización a la formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una fase homogénea. La solución líquida inicial recibe el nombre de magma. A partir de ellas se obtiene la llamada cosecha de cristales, y el resto de la solución, las aguas madres, se desecha o se recircula.

El proceso de formación de cristales consta de dos etapas: la nucleación y el crecimiento.
La nucleación es la formación, a partir de los iones o moléculas de soluto, de núcleos cristalinos de tamaño suficiente para mantenerse en la solución sin solubilizarse, y el crecimiento, es el proceso de aumento de tamaño de los núcleos cristalinos por adición de nuevos iones o moléculas.

Intercambiadores de Calor y Biorreactores

Intercambiadores de Calor de Tubos Concéntricos

Son equipos donde se intercambia energía entre dos fluidos, uno caliente y otro frío. Es el más sencillo, de fácil construcción (para caudales pequeños). Resistencias térmicas que se oponen al intercambio calorífico: 2 de convección y 1 de conducción. De forma abreviada: dQ = U dA DT

DT: fuerza impulsora (variable a lo largo del intercambiador).
U: coeficiente global de transmisión de calor, referido a uno de los fluidos (U’ o U”).
dA: área diferencial de intercambio referida a uno de los fluidos (dA’ o dA”).

Biorreactores: Condiciones y Aspectos Básicos para su Diseño

Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas, derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaeróbico.

Condiciones: condiciones ambientales propias (pH, temperatura, concentración O₂, nutrientes) para el desarrollo del cultivo y la producción del producto deseado.

Aspectos básicos: tamaño del tanque, tiempo del proceso, concentración inicial de reactivos, concentración de microorganismos retenidos, las necesidades de aireación y potencia, área de la superficie de transmisión de calor.

Teoría de Bernoulli

Bernoulli establece que entre dos secciones cualesquiera de un fluido en movimiento, las variaciones de energía cinética, energía potencial y presión, así como la energía que se pierde por rozamiento con las paredes de la conducción, se compensan con la aportación de potencia desde el exterior (bomba) o hacia el exterior (turbina).