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    PROBLEMARIO

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    Anna Osaki
    Este documento presenta preguntas sobre procesos de bioseparación sólido-líquido como la lixiviación, el lavado, la extracción y el refinado. Se explican los conceptos clave y se plantea un ejemplo numérico para calcular la cantidad de disolvente necesaria para extraer aceite de hígado de bacalao usando éter en un proceso de extracción en contracorriente.

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    Este documento presenta preguntas sobre procesos de bioseparación sólido-líquido como la lixiviación, el lavado, la extracción y el refinado. Se explican los conceptos clave y se plantea un ejemplo numérico para calcular la cantidad de disolvente necesaria para extraer aceite de hígado de bacalao usando éter en un proceso de extracción en contracorriente.

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    Este documento presenta preguntas sobre procesos de bioseparación sólido-líquido como la lixiviación, el lavado, la extracción y el refinado. Se explican los conceptos clave y se plantea un ejemplo numérico para calcular la cantidad de disolvente necesaria para extraer aceite de hígado de bacalao usando éter en un proceso de extracción en contracorriente.

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    Este documento presenta preguntas sobre procesos de bioseparación sólido-líquido como la lixiviación, el lavado, la extracción y el refinado. Se explican los conceptos clave y se plantea un ejemplo numérico para calcular la cantidad de disolvente necesaria para extraer aceite de hígado de bacalao usando éter en un proceso de extracción en contracorriente.

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    INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

    UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

    BIOSEPARACIONES SÓLIDO-FLUIDO

    Doctor Juan Pascual Ramirez

    OLVERA RIVERA ITZEL

    CARLOS AGUIRRE ANA RUBÍ

    GRUPO: 5AV2

    27 de Octubre de 2020
    1.- Explica la diferencia entre lixiviación y lavado en operaciones de separación
    sólido-fluido.

    Lixiviación: ​A veces llamada ​extracción sólido-líquido​, consiste en la eliminación de


    una fracción soluble (el soluto o lixiviante) de un material sólido mediante un
    disolvente líquido. El soluto se difunde desde el interior del sólido en el disolvente
    circundante. La fracción sólida extraída o los sólidos insolubles,o ambos, pueden ser
    productos valiosos. Los efluentes de una etapa de lixiviación son esencialmente
    líquido libre de sólidos, llamado el desbordamiento, y sólidos húmedos, el flujo de
    fondo. Para reducir la concentración de soluto en la porción líquida de la corriente de
    fondo, la lixiviación es a menudo acompañada por etapas de lavado en flujo a
    contracorriente. La lixiviación de sólidos de gran tamaño puede ser muy lenta debido
    a las pequeñas difusividades de los sólidos. Por lo tanto, es común reducir el tamaño
    de los sólidos mediante trituración, molienda, descamación,rebanado, etc.

    Lavado: ​Si la sustancia de interés es aquella que se disuelve en el solvente, el proceso


    se llama extracción; si lo que se pretende disolver son las impurezas y la sustancia de
    interés es el sólido, el proceso se denomina lavado.

    2.- Explica qué es el refinado y qué es el extracto.

    Refinado:​ Es la corriente de alimentación una vez que se le ha extraído el soluto.

    Extracto: ​Es una sustancia obtenida por extracción de una parte de una materia
    prima, a menudo usando un solvente como etanol o agua. Los extractos pueden
    comercializarse como tinturas o en forma de polvo.
    3.- Plantea un proceso en el que tengas que utilizar extracción sólido-fluido. Explica qué es lo que
    deseas obtener y qué variables controlarías.

    La mayoría de las semillas oleaginosas se someten a un tratamiento térmico de tostado para


    licuar el aceite presente en las células de la planta y facilitar su liberación durante la extracción,
    ya que los aceites presentes son compuestos de gran importancia para la elaboración de
    cosméticos.

    En la extracción del aceite, las semillas molidas se mezclan con agua caliente y se hierven para
    permitir que el aceite flote y sea recogido. Las semillas molidas se mezclan con agua caliente para
    hacer una pasta que se amasa a mano o a máquina hasta que el aceite se separa en forma de
    emulsión. Para llevar a cabo la extracción de dicho aceite
    se contempla un equipo extractor, lleno con 2 kg de semillas de girasol previamente trituradas y
    homogeneizadas. Se abre el paso de agua al condensador del extractor y cargando el calderín
    con 15 litros de hexano. Se procesa durante 1 h contando el tiempo a partir del momento en que
    se establece el ciclo de retorno del hexano al calderín. Transcurrido este tiempo se procede a la
    destilación de la mezcla de aceite con disolvente, para que finalmente se obtenga aceite la flor
    de girasol.

    Se controlan variables durante todo el proceso, sin embargo, como se trata de un calderín
    primordialmente se debe controlar la temperatura a intervalos de 200-250°C (recordando que es
    necesario dar un tratamiento térmico para facilitar la liberación del soluto de interés), así como
    la presión total del sistema; además controlar la velocidad de los flujos de alimentación (de
    materia prima y de disolvente), así como determinar la concentración inicial de soluto dispuesto
    en el flujo de alimentación.

    4.- Explica cómo se elabora un diagrama triangular y un diagrama rectangular en extracción


    sólido fluido.

    El análisis del proceso de extracción sólido-líquido generalmente se lleva a cabo sobre un


    diagrama triangular, al tratarse de un sistema ternario, de acuerdo a una presión y a una
    temperatura determinadas.
    Se debe tener una base gráfica, donde se traza un triángulo isósceles, cuyos vértices
    representan los componentes puros de soluto y disolvente, reservándose el ángulo recto
    para el sólido inerte (B). ) y, en el sentido de las agujas del reloj, el disolvente líquido (C) y el
    soluto sólido (A). Los lados representan mezclas binarias de los componentes de los vértices
    correspondientes y los puntos interiores al triángulo representan mezclas ternarias,
    cualquier punto del triángulo corresponde a una composición expresada en fracciones
    másicas (o molares).

    Figura 1. Representación gráfica de un diagrama triangular para el método de extracción


    con disolvente a contracorriente

    Pasos a seguir para obtener un diagrama triangular rectangular a partir de una extracción
    de cierto sólido en suspensión

    1) Con parámetros de XS (soluto en el alimentado) y XD (soluto en el disolvente) graficar


    una curva de retención sobre el eje de las abscisas y el eje de las ordenadas
    respectivamente.
    2) Determinar el punto XAM que se refiere a la cantidad de soluto en un punto
    preferido del refinado de una etapa.
    3) Colocar la línea de equilibrio que va de (XS=1,XD=0) a (XS=0.XD=1)
    4) Colocar la linea de materia prima que va del XS=soluto inicial en el alimentado a
    XD=1.
    5) El valor del punto XAM se interpola verticalmente hasta la línea de materia prima
    dibujada anteriormente, generando el punto M de estudio.
    6) Se dibuja la línea de derrame que inicia en (XS=0,XD=0) y se proyecta cruzando el
    punto M hasta llegar a la línea de equilibrio.
    7) Se generan un par de coordenadas, una sobre la curva de retención y otra sobre la
    línea de equilibrio, donde se determinan valores de XS,XD para el refinado y extracto
    respectivamente.
    8) Para cada una de las etapas del sistema se deben repetir los pasos 5,6,7 para obtener
    la cantidad de soluto en refinado y extracto en cada etapa de operación.

    5.- Para un proceso continuo a contracorriente explica qué son las etapas del proceso.

    En un proceso continuo a contracorriente se obtiene una elevada recuperación del soluto y una
    disolución de elevada concentración debido a que en cada etapa se pone en contacto con el sólido
    de alimentación, mientras que el sólido ya casi agotado es el que se pone en contacto con el
    disolvente puro.

    Figura. 1. Diagrama de flujo de un proceso continuo de extracción a contracorriente en etapas


    múltiples..

    Dentro de un flujo constante a contracorriente en etapas múltiples, se tiene variables internas del
    sistema a controlar en cada etapa de operación, donde en cada una se da la interacción de soluto y
    disolvente principalmente (además de una parte de materia inerte) de manera constante en un
    determinado tiempo de operación. En este caso, el líquido L, retenido en los sólidos del flujo inferior
    es constante de etapa a etapa. De esta forma, se obtiene una línea de operación, la cual indica el
    límite en el que podemos realizar el proceso, de acuerdo a los componentes de cada etapa. En el
    mismo diagrama se puede graficar la línea de equilibrio, donde el solvente ya no diluye más soluto.

    Parte II. Problema (5 puntos)

    6.- Se va a extraer aceite de hígado de bacalao utilizando éter en una batería de extracción en
    contracorriente. Por experimentación, se ha encontrado que el arrastre de disolución por la masa
    de hígado triturado es el que se muestra en la tabla siguiente:

    Concentración de la Solución Concentración de la


    Solución retenida solución gal. de retenida(gal) por 1 solución gal. de
    (gal) por 1lb de aceite/gal solución lb de hígados aceite/gal solución
    hígados agotados. agotados.
    0.035 0 0.068 0.4

    0.042 0.1 0.081 0.5

    0.05 0.2 0.099 0.6

    0.058 0.3 0.120 0.68

    En la batería de extracción la carga por celda es de 100 lb, basada en hígados totalmente agotados.
    Los hígados no extraídos contienen 0.043 galones de aceite por libra de material agotado (tratado).
    Se desea obtener una recuperación de aceite de 95%. El extracto final debe contener 0.65 galones
    de aceite por galón de extracto. La alimentación de éter que entra en el sistema está exenta de
    aceite. A)¿Cuántos galones de éter se necesitan por carga de hígados? B) ¿Cuántos extractores se
    requieren?

    Se tiene un flujo de alimentación de 100 lb de hígados agotados, donde el sólido retenido en la


    extracción obedece a los hígados no extraídos de dicho flujo de alimentación, teniendo 0.043 gal
    aceite/lb hígado agotado. por lo que, para obtener los galones de aceite que entra al sistema se
    procede:

    La = 100 lb(0.043 gal/lb) = 4.3 gal

    Posteriormente, el enunciado te dice que únicamente se desea recuperar en el extracto el 95% de


    aceite en total de la cantidad de aceite que ingreso al sistema, por lo que:

    V a = 0.95(4.3 gal) = 4.085 gal

    Deduciendo así que el valor de la cantidad de aceite que se queda en los hígados agotados retenidos
    es el 5% del alimentado, por lo que:

    Lb = 4.3 gal (0.05) = 0.215 gal

    El extracto final debe contener 0.65 galones de aceite por galón de extracto. Partiendo del aceite
    recuperado total en el extracto (4.085 gal) se realiza un balance de materia de lo que ingresa es igual
    a la condición dada por el flujo de soluto y disolvente que hay en el extracto.

    V a = 0.65(E 1 + 4.068)

    4.085 gal = 0.65(E1 + 4.085)

    4.085 gal = 0.65E1 + 2.655

    0.65E1 = 4.085 − 2.655

    4.085−2.655
    E1 = 0.65

    E 1 = 2.20 galones de éter


    Entonces la fracción masa que representa el aceite en la entrada es:

    X a = 1.0

    Y a = 0.65 (ya que el enunciado menciona que el extracto final debe contener 0.65 galones de
    aceite por galón de extracto).

    Y b = 0 , pues la alimentación de éter está limpia de aceite

    X b = 0.215/(0.215 + E e )

    También se sabe que E e = 100C − 0.215 , dónde C = galones de solución retenida por los hígados
    agotados.

    Entonces C = 0.0392

    Para obtener C que es solución retenida por los hígados agotados se elige un par de coordenadas de
    la tabla de datos, en este caso fueron 0.1 y 0.042

    Lb = 0.042 (solución retenida)

    L b = (0.042)(100) = 4.2

    0.215
    Xb = 4.2 = 0.051

    Los valores de X b y L b se ajustan mediante una interpolación de datos, en la cual resulta lo


    siguiente:

    X b = 0.051

    Lb = (0.0386)(100) = 3.86

    0.215
    Xb = 3.86 = 0.055

    Nuevamente se ajustan los valores con lo anterior obtenido:

    X b = 0.055

    Lb = (0.0388)(100) = 3.88

    0.215
    Xb = 3.88 = 0.05541

    Se realiza un último ajuste:

    X b = 0.05541

    Lb = (0.0390)(100) = 3.90 , ​de aquí se obtiene el valor de C = 0.0390 ≈ 0.0392


    0.215
    Xb = 3.90 = 0.05541

    Ahora tomando los valores se tiene que:

    E e = (100)(0.0392) − 0.215

    E e = 3.70 galones

    Sustituyendo el valor de E e en X b = 0.215/(0.215 + E e ) se obtiene que:

    X b = 0.055

    DIAGRAMA

    Si X​1​ = y​a​ = 0.65, solución retenida =​ 0.1121

    L​1​ = 0.1121 x 100 gal

    L​1​ = 11.21 gal

    L​a​ + V​2​ = L​1​ + V​a

    V​2​ = 11.21 +6.28-4.3

    V​2​ = 13.19 gal

    Balance de soluto:

    L​a​x​ + V​2​y​2​ = L​1​x1 + V​a​y​a

    4.3(1)+ 13.19y​2​ = 11.21(0.65) + 6.28(0.65)


    ​y​2​ = 0.53589

    Si x​N​ = 0.4, solution retained = ​0.068

    L​N​ = 0.068 x 100

    L​N​ = 6.8 gal

    L​a​ + V​N+1​ = L​N​ +V​a

    4.3 + V​N+1​ = 6.8 + 6.2293

    V​N+1​ = 8.7293

    Balance de soluto

    L​a​x​a​ +V​N+1​ y​N+1​ = L​N​x​N​ + V​a​y​a

    4.3(1)
    ​ + 8.8293y​N+1​ = (6.8) (0.4) + (6.2293) (0.65)

    y​N+1​ = 0.2828

    Xn 0.055 0.2 0.4 0.6 0.68 1.0

    S(Tabla Datos) 5.0 6.8 9.9 12.0

    O3 = xS 1.0 2.72 5.94 8.16

    E 3 = S − O3 4.00 4.08 3.96 3.84

    O2 = 4.085 + O3 − 4.30 0.785 2.505 5.73 7.95

    E 2 = 2.20 + E 3 6.20 6.28 6.16 6.04

    O2 + E 2 = S 2 6.98 8.78 11.89 13.99

    yn + 1 = O2 / S 2 0 0.112 0.285 0.482 0.568 0.65

    L​a​x​A​ +V​B​Y​B​ = L​B​X​B​ +V​A​Y​A

    4.3(1) + V​B​(0) = 3.94(0.0637) +V​a​(0.65)


    V​A​ = 6.28 gal

    L​A​ + V​B​ = L​B​ +V​A

    4.3 + V​B​ = 3.94 + 6.2293

    A) ¿Cuántos galones de éter se necesitan por carga de hígados?​ ​ ​V​B​ = 5.9 gal

    B) ¿Cuántos extractores se requieren? 7

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