UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE ING.

QUÍMICA EAP DE
ING AMBIENTAL BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA “IV A”
SEDE SANTIAGO DE CHUCO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL
FILIAL SANTIAGO DE CHUCO

INFORME DE SEGUNDA UNIDAD

CURSO: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

TEMA: PROCESO INDUSTRIAL DE LA PLANTA PRODUCTORA DE BIODIESEL

(BALANCE DE MATERIA)

GRUPO N°: 02

INTEGRANTES:

● CHAVEZ RUIZ CESAR

● PEÑA RUIZ DEYSI FRANCISCA
● RIOS ARANDA JORDAN
● RUIZ RIOS YANIRA SAYULIN

DOCENTE: MEDARDO ALBERTO QUEZADA ALVAREZ

2020
 PLANTA PRODUCTORA DE BIODIESEL

I. RESUMEN

El siguiente trabajo de investigación presenta un diagrama de flujo de una planta productora

de biodiesel a partir de algas y microalgas marinas partiendo del ecosistema presente en un
Lago, donde permite extraer el aceite que luego será procesado a fin de obtener un
biocombustible ecológico y autosustentable. Para ello, se desarrolló una investigación de tipo
descriptiva y al mismo tiempo de tipo proyectiva, que permite conocer el detalle del proceso
de funcionamiento de la planta productora de biodiesel y buscar soluciones que permitan
obtener un procesamiento óptimo de la materia prima la cual ayude a utilizar otra fuente de
combustible para reducir la contaminación ambiental principalmente del aire. La
investigación desarrollada se considera de tipo no experimental ya que el fenómeno fue
estudiado y posteriormente analizado, como lo especifica en su teoría. Como resultado
obtenido, se ha logrado definir a detalle el funcionamiento de la planta productora de
biodiesel a partir de algas y microalgas marinas en la cual se han especificado los diferentes
procesos y equipos empleados por la misma y sobre los cuales se realizaron los respectivos
estudios que permitió determinar las variables del proceso necesarios para lograr la
automatización deseada. Por último, se determinó su importancia sobre el uso de biodiesel
como una energía renovable para nuestro medio ambiente. El uso de balance es sumamente
importante para el diseño de los equipos a utilizar en el proceso de Biodiesel; Los balances
son necesarios para el diseño de los equipos a utilizar en los diferentes procesos, para que el
medio ambiente no se vea muy afectado con lo que el ser humano hace en sus industrias es
necesario que esté sepa cómo ahorrar energía y si es posible utilice energías alternativas
como la eólica, solar, biomasa, entre otras. De cualquier forma, el ahorro de energía y su uso
racional supone la aplicación y el constante control de un balance de materia y energía,
diagnosticando con esté el grado de eficiencia con que es utilizada cualquier fuente de
energía y especificando cuanta es desperdiciada. Ya con la obtención del diagnóstico se
puede establecer unas metas para el ahorro de energía como el de diseñar un sistema, el
cual no cause desperdicios y funcione óptimamente con alguna energía alternativa siendo así
amigable con el medio ambiente y sin que se afecten los niveles de producción., para evitar
que sean dañinos para el medio ambiente. Más adelante, partiendo del diagrama de flujo, se
hará un diagrama simplificado para que los cálculos sean más fáciles de resolver utilizando
los estados como estacionario, no estacionario entre otros; En el balance de materia, que se
recoge los datos que se especifican las corrientes de proceso, así como su composición. La
alimentación principal del proceso suele contener un % de agua, y un % de sólidos en peso.
 II. INTRODUCCIÓN

La búsqueda de combustibles alternativos y de bajo impacto ambiental es cada vez más

importante debido a factores económicos y medio ambientales. La naturaleza no renovable
de las reservas de combustibles fósiles y el cambio climático han suscitado preocupaciones
sobre la seguridad energética, generando interés en la utilización de energías renovables
como los biocombustible, estudios previos han demostrado la capacidad de algunos
alimentos (aceite de soya y palma) para la producción de biodiésel, sin embargo existe el
debate sobre la factibilidad de utilizarlos para la producción de energía, ya que podría ser
una competencia directa con el uso de recursos para la alimentación humana y animal. El
biodiésel ha surgido como una alternativa viable para sustituir el diésel que proviene
aproximadamente en 80% de petróleo, carbón y gas natural y aunque varios expertos
consideran que el mundo tiene reservas de petróleo para abastecer a la población por 40
años más, hay muchas empresas que ya se han puesto a la tarea de encontrar alternativas
que logren suplir la necesidad de este importante combustible fósil con un menor impacto en
el medio ambiente. La producción de biocombustibles a nivel mundial ha crecido
exponencialmente en los últimos años, esto debido a la subida del precio del petróleo y a la
creciente concienciación social desarrollada en torno al cuidado medioambiental, hoy día la
Unión Europea es líder mundial en la producción de biodiesel, entre los que resalta España
con la obtención del producto a partir de las semillas de colza y girasol. (Muñoz, 2013). Por
otro lado, se tiene que en Latinoamérica esta alternativa es impulsada por varios países
como Colombia y Brasil, donde las algas marinas se están convirtiendo en una de las
soluciones con más aceptación para la producción de biodiesel.
En un estudio realizado en el 2006 por la secretaría de Energía (SENER) de México se
menciona que la producción de biodiésel a escala comercial puede ser factible a mediano
plazo si se llevan a cabo acciones integrales, que incluyan aspectos técnicos, económicos y
medioambientales con el sector agrario y agroindustrial, conjuntando esfuerzos en
investigación desarrollo tecnológico. Taher et al. (2014) Argumentan que el uso de biodiésel
reducirá en un 45% las emisiones de hidrocarburos, 47% de CO 2 y hasta un 66% las emisiones
de partículas al ambiente. En un futuro se espera que este producto sea usado como
combustible, y que se deje a un lado todas las emisiones que son generadas gracias al
petróleo, ya que el combustible obtenido es ecológico y orgánico. Otra alternativa al uso de
las algas marinas para la producción de biodiesel, son las microalgas marinas que contienen
las proteínas, carbohidratos y aceites naturales en forma de triglicéridos ofreciendo otras
ventajas para la obtención del biocombustible; aunado a una elevada carga fotosintética y
una gran capacidad para crecer tanto en aguas marinas, dulces, residuales y salobres a una
velocidad relativamente alta. Sin embargo, los sistemas de cultivo de microalgas presentan
ciertas limitantes como la escasa información para su escalamiento, la dificultad para el
mantenimiento de monocultivos, elevados costos de operación para la producción, entre
otros. En Venezuela, existe una propuesta de una planta productora de biodiesel a partir de
algas y microalgas marinas en el estado Zulia, en donde se especifica su ubicación y el
proceso de elaboración del biodiesel, desde el proceso de recolección de las algas y
microalgas hasta la obtención del producto final, pero no indica ningún tipo de
instrumentación ni control para el proceso de producción lo cual es necesario para lograr el
máximo rendimiento para la planta propuesta. Por ello se hace necesario determinar los
 niveles de automatización y control adecuados para avanzar de esta manera en el estudio de
las Energías Alternativas ofreciendo al mismo tiempo un producto equivalente al existente en
el mercado con materia prima orgánica.
Los procesos más usados para la obtención de biodiésel son el pirólisis y la
transesterificación, sin embargo, en el primer caso el método es caro y ofrece rendimientos
bajos, mientras que el segundo representa como el método más viable para la obtención de
biodiésel. Este proceso de conversión de aceites a biodiésel es necesario debido a que los
aceites vegetales o extraídos de microalgas presentan una alta viscosidad y baja volatilidad,
causando una combustión incompleta y la disposición de depósitos de carbón. La obtención
de biodiésel a partir de las microalgas lleva más de 20 años de investigación y, en la última
década, este tema ha retomado vital importancia, especialmente en los sectores privados y
académicos. Actualmente investigadores de todo el mundo han demostrado el potencial de
varias especies de microalgas como patria prima para producir biodiésel; no obstante, los
costos de producción no han resultado competitivos en comparación con los obtenidos de
recursos fósiles (Dalmas-Neto et al., 2014;) Guldhe et al 2016). A pesar de estos retos, las
microalgas son consideradas actualmente como una de las alternativas ingenieriles para la
obtención de biodiesel por su alto contenido de lípidos y aceites (1 a 90% base seca,
dependiendo de la especie y condiciones de cultivo), además de presentar una rápida
producción de biomasa en comparación con otros cultivos energéticos y su huella ecológica
es mínima en un análisis de ciclo de vida. Adicionalmente, las microalgas pueden reducir la
cantidad de gases de efecto invernadero y consumir otros contaminantes.

III. REALIDAD PROBLEMÁTICA

La contaminación atmosférica es uno de los problemas de mayor interés, en consecuencia, de las
actividades que el hombre ha realizado, aunque es paradójico que la mayor parte de este tipo de
contaminación se deba a la modernización, nuevas tecnologías, al desarrollo, al crecimiento de la
población. Las emisiones gaseosas liberadas a la atmósfera por fuentes móviles son una de las
causas de la presencia de contaminantes en la atmósfera, provenientes de los combustibles
como el petróleo, la gasolina, etc.

El dióxido de carbono es un contaminante que se ve incrementado por ser un subproducto del

quemado de combustibles procedentes de depósitos de carbono de origen fósil, como el
petróleo, el gas o el carbón, de la quema de biomasa, o de los cambios de uso de la tierra y otros
procesos industriales, que se produce en grandes cantidades. Es el gas de efecto invernadero
antropógeno que más afecta al equilibrio radiactivo de la Tierra y provoca el calentamiento
global.
 Fuente 1 https://elblogdeltavo-tavo.blogspot.com/2011/09/la-contaminacion-ambiental.html

III.1PROPUESTA DE SOLUCIÓN:

“Debido a todo lo mencionado anteriormente, surge la propuesta de presentar una planta

productora de Biodiesel a través de un diagrama de flujo, con el cálculo de balance de materia,
permitiendo erradicar con la contaminación atmosférica para la mejora de la calidad del medio
ambiente”.

Fuente 2 https://www.motorpasion.com/ford/ford-prueba-exito-su-furgoneta-transit-biodiesel-que-promete-ser-
90-limpio-que-diesel-convencional

IV. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

o Diseñar un diagrama de flujo y balancear la cantidad de masa del proceso de producción de

biodiesel a partir de algas y microalgas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

o Seleccionar los instrumentos pertinentes para el proceso industrial.

o Etiquetar el diagrama de flujo.

o Determinar la cantidad de masa del biodiesel e impurezas al final del proceso.

o Describir la importancia y relación de la planta productora de biodiésel con el medio

ambiente.

o Determinar el rendimiento del proceso de producción de biodiesel.

V. DIAGRAMA DE FLUJO DE UN PROCESO INDUSTRIAL DE ALGAS Y MICROALGAS
 VI.

MICROALGAS, ALGAS Y EQUIPOS

1. Alga Phaeodactylum tricornutum

2. Un secado.
3. Una caldera.
4. Un intercambiador de tubos
5. Un soplador.
6. Reservorio de agua.
7. bombas.
8. Un cabezal de riego.
9. Luz ultravioleta
10. Equipo Ultrasonido
11. Un Fotobiorreactor.
12. Un Decantador.
13. Un Centrifugador.
14. Un intercambiador de calor.

VII. FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA PRODUCTORA DE BIODIESEL

● Las microalgas son llevadas a un reservorio de agua, donde se les extrae el agua,
luego son impulsadas por una bomba centrífuga hacía unos tanques donde se le
añade nitrato de sodio y fosfato de potasio para mejorar sus propiedades, después
son enviadas para el sistema de riego y pasan por un sistema de luz ultravioleta para
verificar que no tengan ningún gen contaminante o insectos para pasar al
fotobiorreactor.
● Por su parte, las algas son llevadas hacia una caldera para el proceso de
calentamiento y luego de enfriamiento, después son llevadas desde la caldera hasta
el fotobiorreactor a través de unos soplantes, los cuales impulsan el gas de
combustión a una presión de 0,3 bar liberando sustancias energéticas. Es en el
fotobiorreactor donde se estimulan las algas y microalgas por medio del equipo
ultrasonido para extraer el aceite (biomasa) para su limpieza y almacenamiento.
● Durante el proceso se le inyectan fertilizantes como el nitrato de potasio y fosfato
de potasio desde un cabezal de riego los cuales le proporcionan a las algas un mayor
valor energético, así como la radiación solar y los rayos ultravioletas que también
estimulan la producción de aceites en las algas y microalgas con la finalidad que
expulsen el aceite (biodiesel). El aceite obtenido debe pasar por un proceso de
decantación en donde se añaden sustancias coagulantes como alumbra, tanino o
sulfato ferroso para limpiar las impurezas mediante la sedimentación de sólidos en
suspensión procedentes del tratamiento biológico en el fotobiorreactor para ser
separados posteriormente por un proceso de centrifugación en donde se dispersa el
biocombustible de las impurezas para obtener el biodiesel que será almacenado en
un tanque para su posterior uso.
● Por su parte, para el contenido que se encuentra en el reservorio de agua se emplea
una bomba centrífuga para impulsar el líquido que contiene las microalgas y al cual
se le van a agregar sustancias para darle mayor valor energético al contenido.
Además de las sustancias, se empleó un sistema de luz ultravioleta de canales
cerrados y acoplados al sistema de tuberías de aguas a la entrada de la planta, para
garantizar que todo el sistema de aguas que entra en la planta esté completamente
desinfectado y libre de microorganismos e insectos. Cómo método alternativo para
la estimulación de las algas y microalgas y para mejorar el proceso de producción de
biodiesel se utilizó un equipo ultrasonido La salida se produce por medio de una
bomba centrífuga con un flujo de 10 a 20 ml/min a una presión de 1 – 3 bar. En lo
que respecta al proceso de obtención del aceite, se utilizó un conjunto de
fotobiorreactores tubulares de vidrio marca SCHOTT, que tienen un riesgo muy bajo
de contaminación ya que no pueden acceder fácilmente a otros microorganismos e
insectos en la corriente.
● La salida de este equipo va hacia un decantador – espesador de sólidos continúo. Los
sólidos depositados en el fondo junto con el líquido espesado son continuamente
dirigidos hacia la salida mediante un mecanismo de arrastre consistente en dos
brazos largos con rastrillos de diseño convencional, que gira a una velocidad
periférica de 8 m/min. El líquido clarificado se retira continuamente a través de un
rebosadero que rodea al borde superior del depósito. En dicho decantador se
añadirán sustancias coagulantes como alumbra, tanino o sulfato ferroso. Las bombas
que se utilizan en el traslado del lodo de microalga hasta la centrifugadora serán de
bombeo de lodos debido a la carga de sólidos.
● Luego pasa por La centrifugadora que incorpora motor de alto par y con tolerancia a
desequilibrios, que permite aceleraciones y desaceleraciones rápidas. La salida de la
 centrifugadora va hacia unos intercambiadores de tubo y carcasa marca Standard X
change, donde circulan fluidos a distintas temperaturas, uno aporta calor y el otro lo
recibe.
● El producto final es enviado a unas piscinas de enfriamiento para conservarlo a una
temperatura de 5 grados hasta su retirada. Y finalmente obtenemos el Biodiesel.

VIII. BALANCE DE MATERIA

[ CITATION Fel11 \l 2058 ] En el balance de materia se cumple el principio de que la masa que
entra al proceso es igual a la masa que sale del proceso. Se realiza un balance de masa de los
reactivos que entran al proceso y los productos a la salida del mismo.
● A la entrada del proceso se tiene algas y microalgas, entre ellas también un porcentaje
de agua. La masa de estos reactantes es conocida ya que son las cantidades iniciales
usadas en el proceso.
● A la salida del proceso se tiene biodiesel e impurezas.

8.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En una planta productora de biodiesel ingresa a una secadora un flujo de 1500 kg/h de algas y
microalgas con un 25%de agua, de esta secadora sale un flujo de 1300 kg/h con un 90% en peso
de algas y microalgas que inmediatamente ingresan a una máquina de doble función en cual sale
aceite en cantidad de 1100 kg/h con 5% de agua e impurezas. Este líquido (aceite) ingresa a un
decantador el cual produce Biodiesel y elimina impurezas (agua +sólidos).

a) Hallar el flujo de Biodiesel kg/h

b) Hallar el flujo de impurezas

c) Hallar el rendimiento del proceso de producción de Biodiesel

8.2 DIAGRAMA DE FLUJO SIMPLIFICADO DEL PROCESO

8.3 DETERMINACIÓN DE GRADOS DE LIBERTAD

 8.4 BALANCE DEL PROCESO

• Balance global para (Algas y Microalgas)

F=R+Q
• Balance Parcial

1500 ( 0.25 )=R ( 0.85 ) +Q ( 0 )

F=R+Q
1500 ( 0.25 )=R ( 0.85 ) +Q ( 0 )
(−0.85 ) 1500=R+ Q
375=0.85 R
−1275=−O.85 R+ (−0.85 Q )
375=0.85 R
−900=−0.85 Q
Q=1058.82 Kg/h
R=441.170Kg/h

8.5 DIAGRAMA DE FLUJO ETIQUETADO COMPLETAMENTE

 8.6 DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO DEL PROCESO

Rendimiento:

M Real de Biodiesel
% rendimiento= ×100
M Teorico de Biodiesel

1058.82
% rendimiento= ×100
1499,99

% rendimiento=70.6 %  producción de Biodiesel

IX. IMPORTANCIA DE LA PLANTA PRODUCTORA DE BIODIESEL

● El proceso de producción de biodiesel se puede manejar de manera continua con el

uso fotobiorreactores en paralelo expresado en un diagrama de flujo, lo que permite
una mayor producción de aceite, y, por lo tanto, mayor cantidad de producto final.
 Fuente 3 https://www.uab.cat/web/detalle-noticia/produccion-enzimatica-de-biodiesel-a-partir-de- aceites
de-desecho-una-nueva-alternativa-1345680342040.html?noticiaid=1345697388111

● Los balances de materia son una de las herramientas más importantes con las que
cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia
entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas
operaciones que lo integran.

Fuente 4 youtube.com/watch?v=EG94yZUJjTk

● La producción de Biodiesel forma parte de una opción de desarrollo y de mitigación

del impacto ambiental de emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, el
ISC no guarda relación con el “Índice de Nocividad de los Combustibles” de acuerdo
con las normas vigentes.

Fuente 5 http://kerabisur.com/biodiesel/

X. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO INDUSTRIAL

VENTAJAS DEL BIODIESEL DESVENTAJAS DEL BIODIESEL

✔ Su fabricación necesita poca energía, ✔ Las emisiones de óxidos de nitrógeno NO x
esencialmente utilizada en los procesos de aumentan, hasta un 10% cuando se usa
extracción, laboreo de las zonas agrícolas y biodiesel puro. Este compuesto participa
creación del vapor. en la creación del smog fotoquímico, pero
se puede eliminar de manera eficiente con
el uso de un catalizador.
✔ Permite aumentar el número de metano, o
sea la capacidad del combustible en auto
encenderse, produciendo una mejor
combustión.
✔ Producir biodiesel supone extender las
zonas y las cantidades de vegetales
cultivadas, lo que genera una utilización
creciente de fertilizantes y pesticidas. Así,
✔ Es un combustible biodegradable que se ganamos en cuanto a los residuos a la
disuelve fácilmente en la naturaleza sin atmósfera, pero, por otro lado, se echa a la
crear contaminación del ambiente, en caso tierra compuestos químicos que
de derrame accidental. contaminan los suelos.

✔ Este combustible permite una reducción ✔ Este combustible tiene problemas de

notable de las emisiones nocivas a la fluidez a bajas temperaturas. Tal
atmósfera. Tiene un balance neutro en CO2 característica impide su uso en ciertas
porque se consume por fotosíntesis el regiones de clima difícil o la obligación de
dióxido de carbono emitido en vegetales agregarle aditivos especiales.
que se pueden usar para fabricar de nuevo
biodiesel.
✔ Su vida útil es inferior a 6 meses por su
escasa estabilidad oxidativa, o sea que
pierde su capacidad a oxidarse en el
proceso de combustión en la cámara del
motor. No se puede almacenar durante un
tiempo largo y se debe vender
rápidamente después de su fabricación.
 XI. CONCLUSIONES

● Con la propuesta de la planta productora de biodiesel permite reducir el impacto ambiental,

ya que este combustible que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o
microalgas, con o sin uso previo, mediante procesos industriales de esterificación y
transesterificación y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del
petrodiésel.
● El estudio del proceso de producción de biodiesel permitió diseñar el diagrama de flujo a ser
implementado en la planta, siguiendo la secuencia de procesamiento de la materia prima y
las acciones a ejecutar en cada una de las etapas de este. El uso de matrices de comparación
permitió determinar cuáles equipos se adaptan mejor al funcionamiento del sistema
automatizado tomando en consideración la naturaleza del proceso estudiado.
● También se concluye que aplicando la fórmula de balance de materia (entrada = salida) en
estado estacionario sin reacción, se realizó un balance global y parcial del producto
alimentado en el proceso, permitiendo obtener el biocombustible como es el Biodiesel en
Kg/h como también una cierta cantidad de impurezas al final del proceso y el rendimiento
del proceso industrial de BIODIESEL.

XII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Felder, R. y. (2011). Principios Elementales de los Procesos Químicos. 3era. Edición. México: Editorial
Limusa Wiley, S.A. de C.V.

Naranjo Moncada, S. (2015). Automatización de una planta productora de Biodiesel a partir de algas
y microalgas marinas. España: Universidad, Rafael Belloso Chacin.

P., Muñoz. (2013). Estudio Técnico-Económico de una planta de producción de Biodiesel. Universidad
de Andalucía, España.: Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas.

P., Salinas. (2012). Metodología de la investigación Científica. Mérida, Venezuela.: Universidad de los
Andes.