Tesis EP Ingeniería Química

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Diseño de un proceso de conversión de residuos lignocelulósicos del maíz amarillo duro basado en líquidos iónicos próticos para la producción de bioetanol avanzado sostenible con la realidad peruana
(Universidad Nacional Mayor de San Marcos, 2024) Ruiz Rivas, Christie Marcela; Sanchez Sigueñas, Joe Cristian; Cárdenas Ruiz, Jorge Luis
El estudio de esta investigación tiene como finalidad diseñar un proceso sostenible con la realidad peruana empleando el simulador SuperPro v14, que permita la conversión de los residuos lignocelulósicos del maíz amarillo duro basado en líquidos iónicos próticos en bioetanol avanzado. Se realizó una investigación del tipo cuasi-experimental, de nivel aplicativo con enfoque cuantitativo. Para lograr tal fin, se recabó información mediante búsqueda bibliográfica y pruebas experimentales que abarcaron la síntesis del líquido iónico prótico y el tratamiento de la biomasa residual lignocelulósica del maíz duro amarillo con el propósito de brindar robustez a la simulación correspondiente. Se sintetizó un líquido iónico prótico, hidrogenosulfato de trietanolamonio, evidenciando estabilidad química, en la cual el tratamiento de la biomasa con este fue óptimo, logrando una recuperación del 96.19 % de la biomasa residual y una deslignificación del 99.99 %, lo que se reflejó en el aumento del índice de cristalinidad de la muestra de 74.2 % a 81.4 %. La simulación mostró una conversión de la glucosa y xilosa a etanol en un 99.8 % y 91.5 % respectivamente. Altos rendimientos que permitieron obtener etanol anhidro desnaturalizado del 98.87 % v/v de pureza, agua en un 0.15 % p/p y metanol en 0.31 % v/v. Asimismo, el análisis económico del proceso diseñado determinó que los precios de venta óptimos para el bioetanol (producto principal) e hidrogenosulfato de trietanolamonio (subproducto), son de 0.85 $/Kg y 0.64 $/Kg, respectivamente, lo que representa una reducción significativa en comparación con los precios estándar de 1.13 $/Kg y 1.25 $/Kg. Esto llevó a la conclusión de que se ha desarrollado un proceso eficiente para la conversión de residuos lignocelulósicos del maíz amarillo duro basado en hidrogenosulfato de trietanolamonio permitiendo la obtención de un bioetanol avanzado sostenible en la realidad peruana, cumpliendo con las especificaciones de la NTP 321.126-201, siendo económicamente viable y empleando alternativas verdes en su producción.
Diseño de un sensor virtual para la predicción de la eficiencia de conversión de SO₂ a SO₃ en un reactor catalítico mult-ilechos mediante redes neuronales artificiales
(Universidad Nacional Mayor de San Marcos, 2022) Espinoza Quiroz, Sergio Hernán; Cárdenas Ruiz, Jorge Luis
Examina la posibilidad de diseñar un sensor virtual basado en Redes Neuronales Artificiales (RNA) para predecir la eficiencia de conversión de un reactor catalítico de una planta de ácido sulfúrico. Para el diseño del sensor virtual se utilizaron datos de planta, que fueron preprocesados con el fin de seleccionar los datos útiles, y mediante análisis de correlación se determinan preliminarmente las variables de entrada relevantes para el modelo de predicción, siendo: La concentración de dióxido de azufre (SO2) en el ingreso, las temperaturas de salida de los lechos, la concentración de oxígeno (O2) en la entrada y el flujo volumétrico del gas en la entrada. El diseño del sensor virtual basado en RNA requirió previamente el desarrollo de un modelo neuronal para la predicción de la concentración de salida de SO2 en el último lecho del convertidor. Con el fin de obtener el mejor modelo de predicción se realizan entrenamientos y validaciones de diversas estructuras de redes neuronales cambiando su configuración en el número de variables de la capa de entrada y el número de neuronas de la capa oculta. La configuración final óptima del modelo para la predicción de la concentración de SO2 de salida tiene nueve variables en la capa de entrada y nueve neuronas en la capa oculta. Los indicadores de desempeño del modelo de predicción de la concentración de SO2 son: El error porcentual medio absoluto de 12 %, el índice refinado de concordancia de 0,832 y el coeficiente de correlación de 0,945. Luego a partir de los resultados de la concentración de salida de SO2 se calcularon las eficiencias de conversión de SO2, obteniéndose el sensor virtual, cuyos indicadores de desempeño de predicción de la eficiencia de conversión son: El error porcentual medio absoluto de 0,2 %, índice refinado de concordancia de 0,902 y el coeficiente de correlación de 1,00. Además, el sensor virtual basado en RNA es comparado con otro sensor virtual derivado de leyes en estado estacionario, este último se determinó calculando en cada lecho del convertidor con los datos de la planta de ácido. Los resultados indican que el sensor virtual basado en RNA tiene un mejor desempeño en comparación con el sensor virtual derivado de leyes en estado estacionario, que tuvo un bajo desempeño.
Estudio del tratamiento de emisiones gaseosas de sulfuro de hidrógeno a nivel piloto e industrial
(Universidad Nacional Mayor de San Marcos, 2015) Camizán Vigo, Amparo Janeth; Cárdenas Ruiz, Jorge Luis
El siguiente trabajo trata acerca del estudio experimental del proceso de la eliminación de sulfuro de hidrógeno mediante la absorción con reacción en una solución de soda cáustica a nivel piloto e industrial. Se efectuaron pruebas para la verificación a nivel piloto a diferentes concentraciones de soda cáustica así como el incremento de escala hasta una planta a nivel industrial. Se han utilizado un reactor cuyas dimensiones son 66cm de altura y 36 cm de diámetro y un absorbedor de 1.03m de altura y 17cm de diámetro; mientras que el reactor industrial es de 1.78m de altura y 94.29cm de diámetro y el absorbedor industrial es de 3.45m de altura y 40cm de diámetro, estos equipos son de acero inoxidable. El costo de implementación de este sistema a nivel piloto alcanza los 27 224,52 soles y el costo de operación anual alcanza los 40 816,44 soles. Y a nivel industrial alcanza los 88 924,52 soles. Se puede concluir que se absorbe mayor cantidad de sulfuro de hidrógeno con una solución de soda cáustica al 23% en el reactor piloto. Se sugiere efectuar el análisis químico inmediatamente realizado el muestreo del producto sulfhidrato de sodio para evitar variaciones en los resultados por el envejecimiento de la muestra. Este sulfhidrato de sodio es almacenado para su posterior venta.
Mejoras para reducir las pérdidas de calor e incrementar la eficiencia del proceso de acondicionamiento del electrolito en una planta de lixiviación de cobre
(Universidad Nacional Mayor de San Marcos, 2017) Castillo Quintana, Josselin Elluz; Cárdenas Ruiz, Jorge Luis
Determina las pérdidas de calor existentes durante el calentamiento de electrolito rico para la etapa de electrodeposición (EW), que se realiza en una planta de extracción por solventes de una empresa minera que se denominará “Planta ESDE” por motivos de confidencialidad, la cual produce cátodos de cobre de alta pureza. Asimismo, se pretende optimizar la topología preliminar de la red de intercambiadores de calor de la planta estudiada a través del análisis Pinch, con la finalidad de incrementar la eficiencia de estos equipos en conjunto. Finalmente se busca determinar el ahorro en combustible que generaría el corregir estas fuentes de pérdidas de calor y el impacto ambiental que generaría el cambio del tipo de combustible.
Optimización de un Método para la Producción de Biomasa de Saccharomyces cerevisiae empleada en la etapade Fermentación del Mosto de Cerveza, desde un nivel deLaboratorio a un nivel Piloto
(Universidad Nacional Mayor de San Marcos, 2013) Altamirano Cahuancama, Carlos Alberto; Cárdenas Ruiz, Jorge Luis
La Esterilización es un proceso físico por el cual se consigue eliminar la carga microbiana acompañante y sus esporas que contaminan un medio de cultivo e instrumentos de laboratorio así también en la planta de procesos. Las características del material problema a esterilizar son de relevante importancia al momento de elegir entre los distintos métodos de esterilización, que se pueden emplear como son: Esterilización por calor seco, Esterilización por calor húmedo, Esterilización por Radiación Gama y UV, Esterilización por Filtración. El aislamiento primario de células de Saccharomyces cerevisiae a partir de un cultivo contaminado es una práctica de gran relevancia para obtener un cultivo axénico. Las metodologías que se emplean son los sub cultivos directos, medios selectivos, sustancias químicas inhibitorias o el uso de discos de antibiótico, luego se identificar las unidades formadoras de colonia de Saccharomyces cerevisiae por su morfología característica debido a su comportamiento cultural de manera que todos los individuos del mismo cultivo tengan la misma composición genética, es decir un clon de células. Para posteriormente aislarlo y elegir la mejor metodología de conservación de cepas a largo plazo, conservación por congelación, conservación por liofilización o métodos de conservación a corto plazo, para conservar convenientemente el cepario de células de Saccharomyces cerevisiae. Para llevar a cabo de manera óptima la producción del mosto de malta de cebada se utiliza la relación más conveniente de Agua/Malta de cebada Los distintos perfiles de temperatura y la que actúan sobre la papilla de Agua/Malta de cebada para activar el complejo enzimático (Amilasa-Proteasa) que hidrolice las cadenas lineales y ramificadas de polisacáridos del almidón y de las proteínas. El pH Óptimo que active el complejo enzimático para que las enzimas adquieran la conformación tridimensional que reconozca a su sustrato uniéndose e hidrolizando los enlaces glucosídicos y peptídicos de la malta. El grado de hidrólisis enzimático es función del Tiempo de actividad enzimática. Todas estas variables de operación actúan de manera sinérgica para obtener de manera óptima un caldo enriquecido y llamado mosto de malta de cebada. La propagación de células de levadura a nivel de laboratorio se realiza en caldo estéril de extracto de levadura, glucosa y peptona (YPG) bajo condiciones aeróbicas empleando aire estéril, control estricto de la temperatura para que la levadura Saccharomyces cerevisiae lo metabolice y sintetice su material celular propagándose en el medio de cultivo. El criterio aplicando de escalamiento por lo general es empleando un factor de alrededor de 1:10 para cada trasegado, y una concentración celular de 10-15x106 células/mL. La dilución sucesiva de una suspensión células de Saccharomyces cerevisiae es un procedimiento que permite bajar la carga de células en un rango que se pueda contar en cámara de Neubauer de manera cómoda y poder reportar de manera confiable el número de células que se encuentran en dicha suspensión celular. La Tinción vital de Células de Saccharomyces cerevisiae se fundamenta en la Bioquímica y es una técnica rápida que permite discriminar en un cultivo celular entre células que se encuentran en condicione de vitalidad o activas metabólicamente frente a las células muertas que coexisten en el mismo cultivo celular. El Recuento de levaduras totales y viables en cámara de Neubauer Improved es una técnica de conteo celular directo en una celdilla cuadriculada subdividida en la cual se deposita un cultivo celular diluido para ser enfocado al microscopio óptico, y proceder al recuento de células y reportar el número de células por campo y así obtener un promedio de células que se encuentran en la suspensión celular, por este técnica no discriminamos entre células vivas de las muertas, pero si combinamos esta técnica con la de Tinción vital podríamos observar al microscopio las células decoloradas (células vivas) de las células no decoloradas (células muertas) y poder hacer un recuento en cámara de Neubauer y saber cuál es la concentración viable con que se está contando y si esta es óptima para ser utilizado como inoculo en la fermentación del Mosto de malta de cebada a nivel piloto. La Propagación de levaduras en la planta piloto de Cervecería es una actividad donde confluyen la formación de Ingeniero Químico en sinergia con la Microbiología Industrial para poder diseñar y controlar de manera óptima minimizando los riesgos de contaminación del cultivo celular propagando la Biomasa de levadura hasta alcanzar un volumen del 10% del volumen del mosto de malta de cebada a inocular con una concentración celular de 10-15x106 células vitales/mL para un óptimo proceso fermentativo del mosto de malta de cebada.

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