Procesos biologicos en ingenieria ambiental guia de ejercicios n° 1



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PROCESOS BIOLOGICOS EN INGENIERIA AMBIENTAL

GUIA DE EJERCICIOS N° 1

Miguel A. Isla y Lisandro G. Seluy

Agosto de 2012


Problema 1: Asumiendo que el único producto carbonado de una bioreacción es la biomasa, determine la máxima cantidad de un microorganismo de composición CH1.64N0.16O0.52P0.03S0.01 que puede producirse a partir de 1 litro de medio conteniendo los sustratos en las concentraciones que se indican en la Tabla 1.


Sustrato

Concentración (g/l)

CH3OH

48

(NH4)3PO4

5

(NH4)2SO4

10

Tabla 1
Identifique el sustrato estequiométricamente limitante y calcule cuál debería ser su concentración para que pueda agotarse el sustrato fuente de carbono.

Problema 2: Para la producción de un microorganismo de composición CH1.564N0.150O0.485S0.025 se utiliza SO4(NH4)2 como fuente de S y de N. La bioreacción no tiene productos nitrogenados diferentes de la biomasa. Calcule la cantidad mínima de SO4(NH4)2, en g, necesaria para producir 1 kg del microorganismo. ¿Podrá la bioreacción transcurrir sin formación de productos sulfurados distintos de la biomasa? ¿Por qué?

Problema 3: Un asistente de laboratorio muy distraído llevó a cabo una fermentación (anaeróbica), pero olvidó pesar la glucosa añadida y también de analizar el etanol. Los productos de la fermentación se listan en la Tabla 2. ¿podría estimar cuántas moles de etanol se formaron? Justifique sus hipótesis.


Producto__Moles'>Producto

Moles

Ácido Láctico

10

Ácido Acético

5

CO2

15

H2

10

Tabla 2

Problema 4: El líquido sobrenadante del clarificador final de una planta de tratamiento biológico de efluentes tiene 40 mg/L de materia orgánica soluble, cuya composición se reporta en la Tabla 3 y 10 mg/L de biomasa, que puede considerarse como CH1.62N0.18O0.54. Estime su DQO.


Elemento

% p/p

C

46

H

9

O

28

N

13

Tabla 3
Problema 5: Estime el máximo rendimiento, en g de producto/g de sustrato, para cada uno de los procesos oxidativos que se observan en la Tabla 4:


Producto

Sustrato

Acido Acético

n-octano

Etanol

Glucosa

Glicerina

Etanol

Acido Cítrico

Glucosa

Tabla 4
Problema 6: Como una de las etapas del desarrollo de un método para la eliminación de nitratos de aguas residuales, se experimenta el crecimiento anaeróbico de un microorganismo de composición CH1.73O0.43N0.24. Al medio a tratar se agregan glucosa (C6H12O6) y NH3(dis) como nutrientes. Puede considerarse que todos los nitratos intervienen en la bioreacción como NO3NH4. Los únicos productos de la reacción, además de biomasa y agua, son CO2 y N2.
(a) Experimentalmente se determina que se producen 0.2875 moles de CO2 y 0.2027 moles de N2 por C-mol de glucosa. Al responsable del desarrollo no le resultan convincentes esos resultados. ¿Comparte esa opinión? Fundamente su respuesta
(b) Refuerce su opinión haciendo un "balance de grados de reductancia"
(c) Se sospecha que las anomalías detectadas pueden estar originadas por un mal rotulado de la cepa, y que se ha utilizado otro microorganismo, compuesto también por C, H, O y N, cuyo metabolismo produce también CO2 y N2. Como circunstancialmente no puede hacer un análisis elemental de la biomasa, determina calorimétricamente su calor de combustión, resultando – 5,033 Kcal/g biomasa. ¿Es consistente este resultado con las conclusiones de los puntos (a) y (b)? ¿Puede ser categórica una afirmación basada en esta evidencia experimental?
(d) Para reunir más información, se hace una determinación calorimétrica del calor evolucionado en la bioreacción. Asumiendo que los coeficientes de H, O, y N en la "fórmula" del microorganismo utilizado son desconocidos, ¿puede determinarla con toda la información experimental disponible? Fundamente matemáticamente su respuesta y liste toda otra información adicional que necesitaría.

Problema 7: Un sustrato orgánico de composición CH2ON0.3 se degradará biológicamente en un digestor anaeróbico continuo. Los productos de la biorreacción son: biomasa, CH4, CO2, N2 y H2O. Los gases producidos se quemarán para generar vapor de 1 ata, cuyo calor latente es de 540 Kcal/kg. La biomasa tiene la composición (% en peso) que se detalla en la Tabla 5.

El rendimiento en biomasa es YX/S = 0.30 g biomasa/g sustrato.



Asumiendo que todo el calor disponible en el CH4 es aprovechado, estime cuánto vapor podrá generarse diariamente si el digestor procesa 100 m3/día de un medio conteniendo el sustrato orgánico en una concentración de 10 g/L, reduciendo su concentración en un 90 %.


Elemento

% peso

C

53.1

H

6.2

O

28.3

N

12.4

Tabla 5

Problema 8: El efluente de una curtiembre de curtido “vegetal”, después del tratamiento primario, contiene tanino (C76H52O46) como única sustancia orgánica, en una concentración de 500 mg/L. Aprovechando la capacidad de cierto género de bacterias de “fórmula” CH1.62N0.13O0.48P0.02 para utilizar el tanino como fuente de C y de energía, se diseñará un proceso aeróbico para reducir la DQO del efluente, que tiene un caudal de 500 m3/día, hasta el valor límite de volcado, que es de 50 mg O2/L. El rendimiento biomasa/sustrato es de 0.15 mg biomasa/mg O2.

Estime el consumo mínimo diario de PO4H(NH4)2 si esta sal se utiliza como fuente de nitrógeno y fósforo.

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