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OBTENCIN DE UREA
PROCESOS INDUSTRIALES ORGNICOS II
OBTENCIN DE UREA
1. RECURSOS NATURALES ORGNICOS POTENCIALES DE EXPLOTACIN
La materia prima involucradas: el amoniaco (NH3) y el dixido de
carbono (CO2), para
formar un compuesto intermedio, el cual es el que va a producir
la urea.
AMONIACO (NH3):
Es un compuesto qumico cuya molcula consiste en un tomo de
nitrgeno (N) y tres
tomos de hidrgeno (H) de acuerdo con la frmula NH3.
El amonaco, a temperatura ambiente, es un gas incoloro de olor
muy penetrante y
nauseabundo. Se produce naturalmente por descomposicin de la
materia orgnica y
tambin se fabrica industrialmente. Es fcilmente soluble y se
evapora rpidamente.
Generalmente se vende en forma lquida.
La cantidad de amonaco producido industrialmente cada ao es casi
igual a la producida
por la naturaleza. El amonaco es producido naturalmente en el
suelo por bacterias, por
plantas y animales en descomposicin y por desechos animales. El
amonaco es esencial
para muchos procesos biolgicos.
La mayor parte (ms del 80 %) del amonaco producido en plantas
qumicas es usado para
fabricar abonos y para su aplicacin directa como abono. El resto
es usado en textiles,
plsticos, explosivos, en la produccin de pulpa y papel,
alimentos y bebidas, productos de
limpieza domsticos, refrigerantes y otros productos. Tambin se
usa en sales aromticas.
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DIXIDO DE CARBONO (CO2)
2. DEFINICIN OPERACIONAL
La UREA es un compuesto qumico cristalino e incoloro, de formula
CO(NH2)2. Se
encuentra abundantemente en la orina y en la materia fecal. Es
el principal producto
terminal del metabolismo de protenas en el hombre y en los dems
mamferos. La orina
humana contiene unos 20g por litro. En cantidades menores, est
presente en la sangre,
en el hgado, en la linfa y en los fluidos serosos y tambin en
los excrementos de los peces
y muchos otros animales. Tambin se encuentra en el corazn, en
los pulmones, huesos,
en los rganos reproductivos (semen), hongos, legumbre y
cereales.
La Urea, tambin conocida como carbamida, carbonildiamida o cido
arbamdico, es el
nombre del cido carbnico de la di amida. Cuya frmula qumica es
(NH2)2CO.
3. PROPIEDADES FSICAS
AMONIACO:
Propiedades fsicas
Estado de agregacin Gas
Apariencia Incoloro
Olor penetrante y desagradable
Densidad 0.73 kg/m3; 0,00073 g/cm3
Masa molar 17,03 g/mol
Punto de fusin 195,42 K (-78 C)
Punto de ebullicin 239,81 K (-33 C)
Punto de descomposicin 773 K (500 C)
Temperatura crtica 405,5 K (132 C)
Presin crtica 111,52 atm
ndice de refraccin 1,35
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Propiedades Qumicas
Acidez 9,24 pKa
Solubilidad en agua 89,9 g/100 ml (0 C)
Momento dipolar 1,42 D
DIOXIDO DE CARBONO
Propiedades fsicas
Estado de agregacin Gas
Apariencia Gas incoloro
Densidad 1.842 kg/m3; 0,001842 g/cm3
Masa molar 44,01 g/mol
Punto de fusin 194,7 K (-78 C)
Punto de ebullicin 216 K (-57 C)
Estructura cristalina Parecida al cuarzo
Viscosidad 0,07 cP a 78 C
Propiedades qumicas
Acidez 6,35 y 10,33 pKa
Solubilidad en agua 1,45 kg/m
Momento dipolar 0 D
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UREA
Propiedades fsicas
Estado de agregacin slido
Apariencia blanco
Densidad 1340 kg/m3; 1,34 g/cm3
Masa molar 60,06 g/mol
Punto de fusin 405,8 K (133 C)
Propiedades qumicas
Acidez 0.18 pKa
Solubilidad en agua
En agua:
108 g/100 ml (20 C)
167 g/100 ml (40 C)
251 g/100 ml (60 C)
400 g/100 ml (80 C)
733 g/100 ml (100 C)
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4. MTODO DE OBTENCIN
La sntesis de urea a nivel industrial se realiza a partir de
amoniaco (NH3) lquido y
anhdrido carbnico (CO2) gaseoso. La reaccin se verifica en 2
pasos. En el primer paso,
los reactivos mencionados forman un producto intermedio llamado
carbamato de amonio
y, en la segunda etapa, el carbamato se deshidrata para formar
urea.
Surge un problema dado que las velocidades de las reacciones son
diferentes. La primera
etapa es mucho ms rpida que la segunda, con lo cual el carbamato
intermedio se
acumula. Adems, la primera reaccin no se verifica por completo,
por lo que tambin
quedan amoniaco y dixido libres. En adicin a esto, debe
mencionarse que el carbamato
es un producto altamente corrosivo, por lo cual lo que se hace
es degradar la parte de
carbamato no convertida a urea en sus reactivos de origen, y
luego volver a formarlo.
Vemos que la primera reaccin es exotrmica, y la segunda
endotrmica.
Un problema del proceso es que en el segundo paso de la reaccin,
se forma un producto
llamado biuret, que resulta de la unin de dos molculas de urea
con prdida de la
molcula de amoniaco. Este producto es indeseable por ser un
txico. Por esta razn es
necesaria su eliminacin.
El proceso completo de produccin de la urea puede separarse en
las siguientes etapas:
a. Obtencin de CO2
b. Obtencin de amoniaco
c. Formacin de carbamato
d. Degradacin del carbamato y reciclado
e. Deshidratacin, concentracin y granulacin
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5. DESCRIPCIN DEL PROCESO
a. OBTENCION DE CO2
El CO2 se obtiene a partir de gas natural, mediante la reaccin
conocida como
reforming.
Antes del reforming, deben separarse las impurezas del gas tales
como gotas de
aceite, partculas de polvo, y sobretodo desulfurar el gas, ya
que el azufre interfiere
con la accin de los catalizadores.
Luego de purificar el gas, se procede a la obtencin del CO2
mediante dos etapas de
reforming cataltico con vapor de agua. El calor necesario para
la reaccin, la cual es
endotrmica, proviene de la combustin del gas natural y de los
gases parcialmente
reformados. Se deja entrar aire al reactor para obtener la
relacin necesaria de H2/N2
para la posterior obtencin del amoniaco.
A la salida de la segunda etapa se obtiene un gas con las
siguientes proporciones: 56%
H2, 12% CO, 8% CO2, 23% N2 y menos de 0.5% CH4.
Para eliminar el CO y convertirlo en CO2, se realiza la
conversin de CO haciendo que
reaccione catalticamente con vapor de agua para formar CO2 y H2
usando hierro y
cobre como catalizadores.
b. OBTENCIN DE AMONIACO
El otro reactivo necesario para la produccin de urea es el
amonaco. ste se obtiene a
partir del gas reformado separado del CO2. Se produce
primeramente una etapa de
metanacin para convertir a metano las bajas proporciones que
quedan de CO y CO2
en circulacin, dado que stos interferiran en la accin del
catalizador en la etapa final
de sntesis del amonaco.
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Luego de la metanacin, el gas circulante se compone de aire,
metano y vapor de
agua, los cuales reaccionan con catalizador de hierro para
formar amonaco en estado
gaseoso segn:
El amonaco gaseoso se condensa por enfriamiento y se separa del
gas para
almacenarlo a presin de unas 13 atmsferas. El amonaco gaseoso
remanente es
recirculado al loop de sntesis.
c. FORMACIN DE CARBAMATO
La reaccin de sntesis de Urea se lleva a cabo a altas presiones
(200 bar) y el nivel
trmico ptimo (190C) en un reactor construido en acero inoxidable
especial.
La reaccin se produce entre el amonaco, el CO2 y la solucin
reciclada de carbamato,
proveniente de la etapa de absorcin.
El carbamato de amonio se forma a partir de CO2 y NH3 segn la
siguiente reaccin
(esta reaccin genera calor):
Antes de ingresar al reactor, el CO2 es comprimido hasta 200
atm, mediante un
compresor elctrico y el amonaco hasta 145 atm.
El NH3 y el CO2 reaccionan rpida y exotrmicamente, en una
primera etapa, para
formar el carbamato, que luego se deshidrata a urea + agua. Esta
reaccin logra cerca
del 100% en condiciones normales.
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d. DEGRADACIN DEL CARBAMATO Y RECICLADO
No todo el Carbamato de Amonio se descompone en Urea y Agua. La
fraccin que se
descompone para formar Urea en relacin a la cantidad total que
ingresa al reactor se
denomina conversin. La conversin de Carbamato en Urea en el
reactor est en el
orden de 70%. Es decir que de cada 100 Kg de carbamato que se
forman, slo 70 Kg
pasan a Urea. El resto debe reciclarse permanentemente y en
forma continua al
reactor para lograr una conversin total.
Como habamos visto, el carbamato se forma mucho ms rpido que la
urea. Al ser
altamente corrosivo, su manejo es muy difcil. Por sta razn, lo
que se hace es
degradarlo nuevamente a NH3 y CO2 para luego volver a
formarlo.
Se logra de dos formas:
1. Bajando la presin y temperatura, se desplaza el equilibrio
hacia los reactivos.
Luego la mezcla gaseosa se vuelve a comprimir causando su
recombinacin. Si
hay amonaco en exceso, este se separa en forma gaseosa de la
solucin de
carbamato. Para disminuir los costos totales de la recompresin,
esta se
realiza en dos etapas.
2. La otra forma es mediante el stripping del amonaco,
desplazando la reaccin
hacia productos. Al bajar la presin parcial del reactivo, el
sistema evoluciona
hacia su equilibrio degradando el carbamato. Esta forma tiene la
ventaja de
poder hacerse a la presin de sntesis, lo que reduce el costo de
recompresin.
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e. DESHIDRATACIN, CONCENTRACIN Y GRANULACIN
SNTESIS DE UREA
El carbamato se deshidrata a urea mediante la reaccin:
Como se ve, la reaccin es endotrmica, y habamos dicho que es
mucho ms lenta
que la de produccin de carbamato.
La produccin de la Urea se realiza en un reactor vertical, que
opera a 188 190 C y
160 Kgf/cm2 absoluta, una relacin N/C de 3,6 3,8, un tiempo de
residencia de
alrededor de 45 minutos y un grado de conversin (en un paso) del
65 70 %.
Esta operacin combina la formacin de carbamato (exotrmica,
rpida) en su parte
inferior, por la alimentacin de CO2 y NH3 en exceso y la
descomposicin del
carbamato en urea (mucho ms lenta y endotrmica).
FORMACIN DE BIURET
El biuret se forma cuando dos molculas de urea se unen liberando
una molcula de
amonaco segn
Se trata de una sustancia altamente txica para las plantas, por
lo cual su
concentracin en la urea debe ser muy baja, menor al 0.4%. Para
lograr bajas
concentraciones se usa un exceso de amonaco en la sntesis de
urea.
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CONCENTRACIN
La corriente de Urea y agua obtenida en las etapas de
Descomposicin, la cual
contiene aproximadamente 70% de Urea, es concentrada al 80% en
un concentrador
de vaco mediante la aplicacin de calor externo utilizando vapor
de agua. Esta
corriente se denomina Urea de Sntesis, y es bombeada hacia la
unidad de
Evaporacin.
EVAPORACIN
La corriente proveniente del Concentrador se sigue concentrando
en dos etapas de
Evaporacin, la primera de ellas (se concentra hasta 95 %)
operando a 0.3 Kg/cm2
absolutos y la segunda (se concentra hasta 99.8 %) a muy alto
vaco, para lograr la
evaporacin del agua sin descomponer trmicamente la Urea. Un
equipo clave de esta
etapa es un eyector de importantes dimensiones que permite
lograr los niveles de
vaco requeridos.
Se obtiene de este modo una corriente de Urea fundida a 132 C
con muy bajo
contenido de agua, del orden de 0.5%. Esta corriente es enviada
a la Torre de Prilling
para la formacin de perlas de Urea.
GRANULACIN
Luego se pasa al perlado de Urea (formacin de pequeas perlas del
orden de 2 4
mm de dimetro) se realiza en la Torre de Perlado (Torre de
Prilling).
La Urea fundida es bombeada a la parte superior de la torre de
80 mts de altura y 16
mts. de dimetro. Mediante un canasto giratorio con unas 6000
pequeas
perforaciones se logra obtener una lluvia de Urea fundida, cuyas
gotas se van
solidificando primero y enfriando luego durante su cada libre, a
la vez que se hace
circular aire en sentido contrario mediante grandes ventiladores
ubicados en la parte
superior de la torre.
Se obtiene de este modo el producto final, a unos 40 50 C de
temperatura, el cual
es transportado mediante elevadores y cintas a los silos de
almacenaje.
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6. DIAGRAMA DE FLUJO
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Nmero Equipo Nmero Equipo
1 Depsito de NH3 10 Depsito de aluminio
para la solucin limpia
2 Depsito de CO2 11 Evaporador
3 Autoclaves 12 Depsito
4 Colector Separador 13 Cmara de
pulverizacin
5 Depsito con agitador 14 Desecador
6 Medidor 15 Lavador
7 Depsito de la
solucin bruta 16 Filtro de manga
8 Filtros 17 Condensador
9 Colector de Aluminio 18 Colector de la solucin
de Carbamato
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7. DIAGRAMA DE BLOQUES
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8. MODELOS Y REACCIONES QUIMICAS GENERALES
9. REACCIONES QUMICAS DERIVADAS
Obtencin de
Obtencin de metano
Formacin de carbamato
Descomposicin de carbamato
}
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Formacin de Biuret
10. CONDICIONES DE OPERACIN
Para compresin de : 160 atm
Conversin de carbamato a urea y agua : 70%
Formacin de carbamato:
Compresin de antes de ingresar a reactor 200 atm
Compresin de antes de ingresar a reactor 145 atm
Sntesis general de la urea:
Temperatura: 188-190C
Presin: 160
Tiempo de residencia: 45 min
Conversin: 65-70%
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11.MECANISMOS DE REACCIN
La reaccin se verifica en 2 pasos. En el primer paso, los
reactivos mencionados forman un
producto intermedio llamado carbamato de amonio y, en la segunda
etapa, el carbamato
se deshidrata para formar urea.
Primer paso:
Segundo paso:
La urea se produce por deshidratacin del carbamato amnico a
partir de 135 C.
12.TECNOLOGA DE PURIFICACIN DEL PRODUCTO PRINCIPAL A OBTENER
Cuando dos molculas de urea obtenidas se unen liberando una
molcula de amonaco se
forma el biuret que es una sustancia altamente txica para las
plantas, por lo cul su
concentracin en la urea debe ser muy baja, menor al 0.4%. Para
lograr bajas
concentraciones se usa un exceso de amonaco en la sntesis de
urea.
El biuret se forma segn la ecuacin:
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13.CINTICA Y TERMODINMICA DE LA REACCIN PRINCIPAL
CINTICA
La primera etapa es mucho ms rpida que la segunda, con lo que
podemos deducir que la
velocidad de la reaccin depende del paso 2.
Como se ve, la reaccin es endotrmica reversible. La cintica de
la reaccin aumenta con
la temperatura, con una mayor relacin NH3/CO2 y disminuye con
una mayor presencia
de agua. Por lo que la cintica de reaccin seria de orden global
2 y tendra como
ecuacin:
= k*( - )
Donde:
K=Constante de velocidad (mol/L.s.atm)
=Presin del Carbamato de amonio (atm)
=Presin de la Urea (atm)
= Presin del agua (atm)
=Constante de equilibrio de la reaccin (atm)
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14.IMPACTO AMBIENTAL DE LOS MATERIALES USADOS, Y LA PROPUESTA DE
MITIGACIN.
La materia prima involucradas: el amoniaco (NH3) y el dixido de
carbono (CO2), para
formar un compuesto intermedio, el cual es el que va a producir
la urea.
La produccin, uso y almacenamiento de amonaco requiere un diseo
acertado, buen
mantenimiento y monitorizacin, para reducir al mnimo el riesgo
de fugas o
explosiones accidentales. Es esencial tener un plan de
contingencia para proteger al
personal de la planta y las comunidades aledaas.
El amonaco se puede aplicar directamente al suelo por medio de
tractores equipados
con mangueras o tubos inyectores. En almacenamiento tiene
comportamiento de
sustancia lquida, por lo que el nitrgeno inyectado al suelo
tiene escaso nivel de fuga
al medio ambiente. En grandes plantaciones de caa de azcar, la
fertilizacin con
amonaco es ms eficiente que aplicar urea u otro fertilizante
slido con nitrgeno.
Las aguas servidas constituyen un problema fundamental. Pueden
ser muy cidas o
alcalinas y, dependiendo del tipo de planta, pueden contener
algunas sustancias
txicas para los organismos acuticos, si las concentraciones son
altas: amonaco o los
compuestos de amonio, urea de las plantas de nitrgeno, cadmio,
arsnico, y fsforo
de las operaciones de fosfato, si est presente como impureza en
la piedra de fosfato.
Adems, es comn encontrar en los efluentes, slidos totales
suspendidos, nitrato y
nitrgeno orgnico, fsforo, potasio, y (como resultado), mucha
demanda de oxgeno
bioqumico (DOB5); y, con la excepcin de la demanda de oxgeno
bioqumico, estos
contaminantes ocurren tambin en las aguas lluvias que escurren
de las reas de
almacenamiento de los materiales y desechos. Es posible disear
plantas de fosfato de
tal manera que no se produzcan descargas de aguas servidas,
excepto en el caso del
rebosamiento de una piscina de evaporacin durante las temporadas
de excesiva
lluvia, pero esto no siempre es prctico.
Los productos de fertilizantes terminados tambin son posibles
contaminantes del
agua; su uso excesivo e inadecuado puede contribuir a la
eutrofizacin de las aguas
superficiales o contaminacin con nitrgeno del agua fretica.
Adems, la explotacin
de fosfato puede causar efectos negativos. Estos deben ser
tomados en cuenta,
cuando se predicen los impactos potenciales de proyectos que
incluyan las
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operaciones de extraccin nueva o expandida, sea que la planta
est situada cerca de
la mina o no (ver la seccin: "Extraccin y Procesamiento de
Minerales").
Los contaminantes atmosfricos contienen partculas provenientes
de las calderas,
trituradores de piedra de fosfato, fsforo (el contaminante
atmosfrico principal que
se originan en las plantas de fosfato), neblina cida, amonaco, y
xidos de azufre y
nitrgeno. Los desechos slidos se producen principalmente en las
plantas de fosfato,
y consisten usualmente en ceniza (si se emplea carbn para
producir vapor para el
proceso), y yeso (que puede ser considerado peligroso debido a
su contenido de
cadmio, uranio, gas de radn y otros elementos txicos de la
piedra de fosfato).
Los accidentes que producen fugas de amonaco pueden poner en
peligro no
solamente a los trabajadores de la planta, sino tambin a la
gente que vive o trabaja
en los lugares aledaos. Otros posibles accidentes son las
explosiones, y las lesiones de
ojos, nariz, garganta y pulmones.
Como algunos de los impactos que se han mencionado pueden ser
evitados
completamente, o atenuados ms exitosamente a menor costo, si se
escoge el sitio con
cuidado. Sin embargo se debe entender el aprovechamiento del
empleo de fertilizantes
orgnicos, y lo mismo que de minerales, como un modo importante
de intervencin del
hombre en el ciclo de sustancias de la agricultura. A travs de
los animales cuyos
excrementos son aprovechados, pasan nitrgeno, fsforo, potasio y
otros nutrientes a los
excrementos.
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15.APLICACIN Y FINES DEL PRODUCTO ELABORADO, TRATAMIENTO DE
DESPERDICIOS
APLICACIN:
Debido a su alto contenido en nitrgeno, la urea preparada
comercialmente se utiliza en la
fabricacin de fertilizantes agrcolas. La urea se utiliza tambin
como estabilizador en
explosivos de carbono-celulosa y es un componente bsico de
resinas preparadas
sintticamente.
Asimismo se usa en los piensos para rumiantes. Es una fuente de
nitrgeno no proteico
que puede aprovechar la flora bacteriana que vive en el sistema
digestivo de los rumiantes
para producir protenas, que nutren a su husped. Es mucho ms
barato que las protenas
de origen vegetal, y aunque consumen caloras para convertir la
urea en protena, resulta
ms rentable.
En dermatologa la urea se utiliza como humectante natural por
sus excelentes
propiedades hidratantes. Otro uso importante en la industria
qumica es la fabricacin de
resinas Urea-Formaldehido, teniendo como uso principal la
aglomeracin de madera para
la fabricacin de Triplay; tambin tiene usos en resinas
Fenol-Formaldehido para la
industria de la fundicin entre otras.
Fertilizante
El 90% de la urea producida se emplea como fertilizante. Se
aplica al suelo y provee
nitrgeno a la planta.
Se disuelve en agua y se aplica a las hojas de las plantas,
sobre todo frutales, ctricos. La
urea como fertilizante presenta la ventaja de proporcionar un
alto contenido de nitrgeno,
el cual es esencial en el metabolismo de la planta ya que se
relaciona directamente con la
cantidad de tallos y hojas, las cuales absorben la luz para la
fotosntesis. Adems el
nitrgeno est presente en las vitaminas y protenas, y se
relaciona con el contenido
proteico de los cereales.
Se encuentra presente en adhesivos, plsticos, resinas, tintas,
productos farmacuticos y
acabados para productos textiles, papel y metales.
Se mezcla en el alimento del ganado y aporta nitrgeno, el cual
es vital en la formacin de
las protenas.
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La resina urea-formaldehido. Estas resinas tienen varias
aplicaciones en la industria, como
por ejemplo la produccin de madera aglomerada. Tambin se usa en
la produccin de
cosmticos y pinturas.
16. CASOS PROBLEMTICOS DE INTERS INDUSTRIAL
VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN LA ECONOMA
La urea como fertilizante presenta la ventaja de proporcionar un
alto contenido de
nitrgeno, el cul es esencial en el metabolismo de la planta ya
que se relaciona
directamente con la cantidad de tallos y hojas, las cules
absorben la luz para la
fotosntesis. Adems el nitrgeno est presente en las vitaminas y
protenas, y se
relaciona con el contenido proteico de los cereales.
Debe tenerse mucho cuidado en la correcta aplicacin de la urea
al suelo. Si sta es
aplicada en la superficie, o si no se incorpora al suelo, ya sea
por correcta aplicacin,
lluvia o riego, el amonaco se vaporiza y las prdidas son muy
importantes. La carencia de
nitrgeno en la planta se manifiesta en una disminucin del rea
foliar y una cada de la
actividad fotosinttica.
Los impactos econmicos positivos para los propietarios de esta
industria son obvios: los
fertilizantes son crticos para lograr el nivel de produccin
agrcola necesario para
alimentar la poblacin mundial, rpidamente creciente.