Simulación de la producción integrada de furfural y etanol.

El proceso propuesto sigue el esquema de la figura 3.5, según los resultados experimentales obtenidos en el capítulo 2 y los datos de fábrica de los equipos instalados en las plantas de furfural y etanol.

Presión atm 1 1 1 1 15 3

Fracción vapor 0 0 1 1 1 1

Entalpia KJ/h -181,68 -1461,39 -0,044 -683,05 -1408,584 -1438,69

CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN TÉCNICA-ECONÓMICA DE LA PROPUESTA DE RECONVERSIÓN

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Figura 3.5 Diagrama del proceso propuesto para la reconversión.

Se considera la composición de bagazo inicial de celulosa, 39,28 %, hemicelulosa, 26,59 % y lignina 15,88 %. La hidrólisis ácida para la reconversión ocurre a la temperatura de 175 0C, tiempo de reacción de 40 min, alimentación continua de vapor a 180 0C, relación sólido-líquido 1:2, H2SO4 al 1,5 %. La hidrólisis enzimática ocurre a la temperatura de 45 0C, tiempo de reacción de 24 horas. Para la fermentación se considera la mezcla de líquido hidrolizado y miel, según las condiciones experimentales obtenidas del diseño de mezclas de 0,5 miel y 0,5 de hidrolizado, con una concentración de 38,19 g/L.

Para los estudios se consideran los resultados de conversión obtenidos en la fase experimental de evaluación de la propuesta, dada la complejidad de las reacciones biológicas involucradas y no disponer aún de los estudios cinéticos en estas etapas para el bagazo. Algunos autores como (Aguilar, 2002; Días, 2009; Lenihan, 2010) consideran reacciones cinéticas de primer orden y pseudoprimer orden, pero para otros tipos de biomasa y para otras condiciones experimentales.

En la etapa de fermentación, se consideran los criterios y parámetros cinéticos para rendimientos de Saccharomyces cerevisiae y la reacción estequiométrica obtenida

Enzima Condensado furfural Vinazas Etanol 93% Líquido hidrolizado Sólido residual Bagazo H2SO4 1,5 % RS/L 1/2 Vapor furfurílico Hidrólisis ácida tr: 40 min T: 1750C Filtración Filtración Hidrólisis enzimática Condensación Enfriamiento Destilación Furfural Fermentación Destilación Etanol Vapor, P: 9atm Líquido residual Sólido residual Furfural 94% 1 t/d Resina Miel

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79 por (Watt and Sidhu, 2010) para balance en fermentación de sustratos (Anexo 11.1) (Raghav, 1989; Nielsen, 2003).

Se utilizan los datos de diseño de los equipos instalados de las siguientes etapas: hidrólisis ácida, condensación y enfriamiento, destilación de furfural, fermentación y destilación de etanol (Anexo 3).

En la figura 3.6 se muestra el diagrama de simulación obtenido del proceso de producción de furfural y etanol a partir de bagazo. Los modelos seleccionados en las etapas del proceso se muestran en el Anexo 10.

Figura 3.6 Diagrama de simulación de la propuesta de reconversión.

-El paquete termodinámico en cada etapa del proceso se determinó según los métodos de selección, comparando el método ideal con los métodos reales en función de las constantes de equilibrio. Al mantener las mismas condiciones de temperatura y presión, en el sistema ideal y real, se selecciona el método que más se aproxime al comportamiento ideal. Se selecciona para la mayoría de las etapas el VANL-RK (Van Laar, coefciente de actividad para la fase líquida, y coeficiente de fugacidad para la fase vapor Redlich-Kwong) y el NRTL para el sistema de evaporación, siendo los de mejores ajuste (Anexo 11.2).

CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN TÉCNICA-ECONÓMICA DE LA PROPUESTA DE RECONVERSIÓN

80 Para sistemas con azeótropo, el simulador propone varios métodos, siendo el de mejor ajuste con las composiciones de furfural a la salida el UNIF-LL (UNIFAC para sistemas líquido-líquido, coeficiente de actividad para la fase líquida y coeficiente de fugacidad para la fase vapor Redlich-Kwong). Para el sistema etanol-agua se selecciona el NRTL (Anexo 11.2).

En la etapa de hidrólisis ácida y enzimática se consideran las siguientes reacciones: (Woley, 1996)

𝐶𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎/𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎: 𝐶6𝐻10𝑂5 + 𝐻2𝑂 = 𝐶6𝐻12𝑂6 ∆𝐻𝑓𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 = −976362 𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑒𝑚𝑖𝑐𝑒𝑙𝑢𝑙𝑜𝑠𝑎/𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎: 𝐶5𝐻8𝑂4 + 𝐻2𝑂 = 𝐶5𝐻10𝑂5 ∆𝐻𝑓𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 = −762416 𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑋𝑖𝑙𝑜𝑠𝑎/𝐹𝑢𝑟𝑓𝑢𝑟𝑎𝑙: 𝐶5𝐻10𝑂5 = 𝐶5𝐻4𝑂2 + 3𝐻2𝑂 ∆𝐻𝑓 = −1040020 𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐿𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛𝑎: 𝐶7.3𝐻13.9𝑂1.3 + 𝐻2𝑂 = 𝐶7.3𝐻15.9𝑂2.3 ∆𝐻𝑓 = −1592659 𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙

Validación de los modelos obtenidos.

En la Tabla 3.7 se presenta la validación de los modelos obtenidos para la hidrólisis ácida; los parámetros que se consideran para el ajuste son: conversión de glucosa por celulosa inicial, conversión de furfural por hemicelulosa inicial, por ciento de glucosa y furfural obtenido.

Tabla 3.7 Resultados comparativos entre experimental y modelo en la etapa de hidrólisis acida.

Puntos

Conversión gluc/ cell i

Conversión

furf/hemicel % glucosa % furfural Exptal Modelo Exptal Modelo Exptal Modelo Exptal Modelo

1 0,451 0,501 0,198 0,134 34,484 24,02 2,473 2,30 2 0,254 0,277 0,144 0,109 32,468 13,34 2,327 3,11 3 0,648 0,621 0,098 0,083 23,764 34,59 1,735 2,02 4 0,582 0,646 0,116 0,081 22,371 31,07 1,633 2,31 5 0,55 0,611 0,198 0,134 23,66 29,36 2,390 3,35 Media 0,50 0,5312 0,15 0,10 27,35 26,48 2,11 2,618

Como resultado, se puede observar que, existe variación entre los datos experimentales y los reportados por el modelo; se obtiene un ajuste para un coeficiente de correlación del 87 % y un R2 del 76 %. Es importante señalar, que en esta etapa suceden reacciones heterogéneas, afectadas por los efectos difusionales y las reacciones químicas involucradas, lo que provoca que no exista homogeneidad en los resultados experimentales cuando se evalúan los rendimientos de los

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81 componentes. Algunos autores como (Sun y Cheng, 2002; Lavarack, 2002; Mesa, 2010) coinciden en las diferencias significativas entre las réplicas y obtienen regresiones en este orden.

En la tabla 3.8 se validan los modelos para la etapa de hidrólisis enzimática. Los parámetros de ajuste son: conversión de glucosa por celulosa inicial, concentración de glucosa y rendimiento de glucosa por bagazo inicial.

Tabla 3.8 Resultados comparativos entre experimental y modelo en la etapa de hidrólisis enzimática.

Puntos

Conversión gluc/ celi

C gluc(g/L) g gluc/g bagi

Exptal Modelo Exptal Modelo Exptal Modelo

1 0,35 0,38 12,66 12,41 15,02 17,50

2 0,30 0,33 12,76 10,64 15,30 15,00

3 0,32 0,36 12,05 11,35 14,86 16,00

4 0,34 0,37 12,49 12,06 15,06 17,00

Media 0,33 0,36 12,49 11.62 15,06 16,38

En esta etapa se puede observar que existe buen ajuste para un 98,55 % de coeficiente de correlación y un R2 del 97 %. Los resultados obtenidos para las condiciones de pretratamiento se mantienen en los límites de reportes anteriores por (Mesa, 2010) de concentración de glucosa, 13,68 g/L y rendimiento de glucosa por bagazo inicial de 16,48 %.

En la tabla 3.9 se muestran los resultados comparativos de por ciento de etanol obtenido a la salida de la fermentación. Se observa que existe correspondencia en los valores obtenidos por los modelos con los resultados experimentales para un coeficiente de correlación de 95,41 % y un R2 de 91,04 % de ajuste.

Tabla 3.9 Resultados comparativos a la salida de la fermentación.

Puntos 1 2 3 4

%etanol

Exptal 4,75 4,97 5,19 4,5

Modelo 4,74 4,77 4,85 4,55

Como resultado de la validación se obtiene que los modelos de simulación del proceso de obtención de furfural y etanol a partir de bagazo, con la incorporación de los cambios y modificaciones en la etapa de hidrólisis ácida responden

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82 satisfactoriamente con el comportamiento del proceso y se pueden utilizar para posteriores análisis de sensibilidad de variables y parámetros del proceso.