Evaluation of the Performance of a Simulation Fermentation System for Different Demand of Cooling
DEFINICIÓN DE ESCENARIOS DE ENFRIAMIENTO.
El sistema real evaluado dispone de un total de siete fermentadores semejantes, de una capacidad de 450 m3 cada uno, cuya geometría corresponde a una sección cilíndrica de 7 m de diámetro y 11,25 m de altura, unida a un fondo cónico en el cual se localiza la descarga. La operación de los mismos se realiza en modo batch empleándose solo seis de ellos en forma secuencial, mientras que el séptimo queda disponible para acoplar las etapas de proceso actuando como un pulmón de alimentación entre la fermentación con operación discontinua y la destilería que trabaja en modo estacionario. En la figura 4 se muestra un diagrama de flujo del sistema de fermentación que puede trabajar tanto en modo continuo como discontinuo.
Fig. 4: Esquema del sistema de fermentación.
La carga total por fermentador es de 410 m3 de mosto, alcanzando éste una altura aproximada de 10 m. Para su llenado se necesita un tiempo máximo de 12 horas, por lo que se trabaja a razón de dos tanques diarios. La fermentación propiamente dicha, tiene una duración prevista de 60 horas, en las cuales se mantiene en operación el sistema de enfriamiento a efectos de remover el calor generado. Debido a que su velocidad de producción no es constante, el caudal de agua es reducido en forma gradual en cada equipo luego de las primeras 24 horas y después de alcanzarse el pico de conversión de alcohol con máxima liberación de energía. Durante toda la operación es necesario controlar la temperatura del fermentador y la del agua de salida que retorna a las torres de enfriamiento.
El sistema de refrigeración dispone con un caudal máximo de recirculación de 250 m3/h, que se distribuye por bombeo a través de los intercambiadores instalado en cada uno de los fermentadores, los cuales al actuar desfasados en el tiempo tendrán la necesidad de remover cargas térmicas diferentes, en tanto que la demanda global del sistema también será cíclicamente variable. Así el mosto es extraído de manera continua desde el fondo de cada unidad y derivado al equipo de termotransferencia a efectos de remover el calor, recirculando el mosto frío al tanque en su sección superior.
Se propusieron diferentes escenarios de operación analizando: i) la incidencia de la variación de sólidos totales en un rango comprendido entre 25 y 35 % p/p, ii) la influencia de una eventual recirculación de vinazas ligeras, backstillage, para un máximo de 30 % p/p de vinazas respecto del total de agua adicionada en la premezcla con un valor promedio de 10 % de sólidos no fermentables, iii) el efecto cuantitativo del calor adicional incorporado o disipado al medio por factores externos de acuerdo con condiciones estacionales, iiii) considerando que el sistema de intercambio presenta una diferencia de rendimiento por efectos de fouling. Finalmente, se evaluaron los rendimientos de producción para todos los casos citados .
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Considerando un rendimiento aproximado del 90 % en base al almidón total disponible (fermentable), se muestran los resultados que podrian esperarse para cada caso. En las figuras 5 y 6 se observan los requerimientos máximos de agua de refrigeración vs. el contenido de sólidos totales para los fermentadores operando a ciclo desfasado, luego de desarrollarse las respectivas simulaciones para los distintos escenarios considerados para la condición de verano e invierno, respectivamente. Con una línea horizontal de caudal constante se indica el valor de máxima circulación de agua disponible en las torres de enfriamiento.
Puede observarse, que la intersección entre ésta y las restantes curvas de demanda determinan el máximo tenor de sólidos admisibles para cada situación. Valores superiores a los establecidos implicarían que existen tiempos de operación en donde la demanda de enfriamiento supera la respuesta del sistema, generando una acumulación de calor que elevará la temperatura de los fermentadores.
De esta manera se han determinado los límites para cada escenario evaluado que, de ser superados, llevarían de manera progresiva a condiciones de estrés térmico desfavorables para las levaduras lo que se traduce en una reducción en la producción de alcohol.
Se observan las limitaciones del sistema para responder en la temporada estival, por lo tanto se muestra en la tabla 1 un detalle cuantitativo de la producción esperable de etanol por fermentador para cada caso considerando.
En tanto que el sistema de refrigeración puede responder a todas las exigencias en temporada de invierno en invierno, con excepción de una única condición muy desfavorable como es la de menor eficiencia de enfriamiento (fouling) combinada con el máximo requerimiento de calor por fermentación para el límite superior de concentración de sólidos totales (aproximadamente igual al 35 %).
Fig. 5: Demanda de refrigeración para los distintos escenarios en condiciones estacionales de verano
Tabla 1: Resultados esperables para cada condición de verano evaluada.
Escenarios de demanda de refrigeración Máximo contenido de sólidos totales Producción de etanol (m3 por fermentador)
Con backstillage > 35 % 63,5 Sin backstillage < 35 % 68,9 Con backstillage y carga térmica 32 % 58,1 Sin backstillage y carga térmica 30 % 59,0 Con backstillage y menor eficiencia de refrigeración 28 % 50,8 Sin backstillage y menor eficiencia de refrigeración 26 % 51,1 Con backstillage, carga térmica y menor eficiencia de refrigeración < 25 % < 45,4
Sin backstillage, carga térmica y menor eficiencia refrigeración > 25 % < 49,2
CONCLUSIONES
Del estudio realizado se puede concluir que: 1) Los datos teóricos obtenidos se han podido comparar frente a datos reales, observando que los mismos resultan representativos del sistema. 2) para los casos con y sin agregado de backstillage las variaciones de energía por efectos ambientales representan ~1 % del calor de fermentación para ambas condiciones estacionales. 3) el sistema de refrigeración posee una capacidad operativa que resulta limitante durante la temporada de verano, debiendo considerarse opciones técnico-económicas y alternativas de inversión para superar este déficit. 4) dado que para los procesos fermentativos VHG (Very High Gravity) resulta una exigencia inherente operar con el máximo tenor de sólidos posibles se ha encontrado que el máximo admisible para verano estaría acotado al 30 % sin recirculación de backstillage y 32 % de sólidos totales cuando hay recirculación y se obtendrían producciones muy semejantes, del orden de 58 - 59 de m3 de alcohol por fermentador. 5) existe una amplia variedad de opciones intermedias que podrían ser exploradas a voluntad del usuario a efectos de encontrar otras condiciones menos rigurosas que garanticen la posibilidad de trabajar sin exponer el sistema de refrigeración a sobrecargas innecesarias. 6) es posible obtener las condiciones bajo las cuales se debería trabajar cuando el sistema de enfriamiento no se encuentre completamente operativo, planificando regímenes de marcha de la planta mientras se realizan reparaciones de equipos y/o mantenimiento de torres de refrigeración.
REFERENCIAS
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