Energía libre de Gibbs

Se realizó una simulación empleando un reactor de Gibbs el cual es un reactor que calcula las composiciones de las corrientes de salida. Este reactor Calcula las composiciones de las corrientes de salida correspondiente, se realiza aplicando la condición termodinámica de que el cambio de energía libre de Gibbs de un sistema reaccionante debe ser mínimo en el estado de equilibrio químico y que el equilibrio de fases se alcanza con un cambio mínimo en el cambio de energía libre de Gibbs entre las fases. Esto con el fin de primero encontrar las condiciones termodinámicas que otorguen los mejores rendimientos al momento de llevar a cabo una fermentación alcohólica.

Restricciones: Para poder llevar a cabo la simulación se tomaron las siguientes condiciones. En primer lugar, un flujo inicial de glucosa y agua el cual se estableció por medio del balance de materia de los equipos en el PFD. Si se considera la reacción de fermentación únicamente como

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Y además se considera que el flujo que que ingresa posterior a la hidrolisis se dividió en el número de fermentadores (3) el flujo de glucosa en fase acuosa que ingresa al reactor es:

Estos valores son los propuestos para un proceso batch sin embargo funcionan como una aproximación en cuanto a la fracción másica suponiendo de igual forma que no hay entrada de levadura. Esto tiene sentido pues en un reactor de Gibbs se llega un equilibrio de fases y no es necesario un catalizador para llevar a cabo a reacción. Por último, para encontrar las mejores condiciones de operación se espera que sean aquellas en donde se logre la conversión más cercana al teórico.

Se probaron dos variables del sistema para encontrar cuales condiciones son las óptimas, empleando un análisis de sensibilidad en Aspen Plus.

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Una vez se realizaron los análisis de sensibilidad, se obtuvieron las siguientes graficas..

T variable

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P variable

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A primera vista se puede pensar que los análisis de sensibilidad dan resultados erróneos, sin embargo, es necesario aclarar la naturaleza de la reacción de fermentación. A diferencia de otras reacciones esta no ocurre por un proceso espontaneo o con la adición o al retirar energía del sistema. Esta es llevada a cabo por medio de catalizador o mejor dicho una degradación que se da gracias a la levadura. Por lo tanto, para poder determinar cuales son las condiciones de operación mas adecuadas para la reacción de fermentación se puede estableces que son aquellas que propician el crecimiento celular de la levadura pues esta emplea el sustrato (Glucosa) y los nutrientes del ambiente para poder generar etanol si se encuentra en un medio anaerobio. Este caso corresponde con un rango de temperatura entre 13 y 35°C, en la mayoría de los casos este rango acorta (24 – 27°) y presión atmosférica pues se trata del células. (http://bdigital.unal.edu.co/56557/1/1026562340.2017.pdf) A pesar de lo anterior, al correr la simulación del reactor de Gibbs este resuelve el balance de materia sin dar un modelo cinético y esto es debido a que, como se mencionó anteriormente, utiliza la información de energía libre de todas las fases en interacción para predecir la tasa máxima de conversión para lograr un equilibrio. Sin tomar en cuenta cuestiones como el tiempo o el espacio donde se este llevando a cabo la reacción. Esto da a entender que la solución puede llegar a ser muy ideal comparado con el caso donde se utiliza la levadura como catalizador de la reacción.

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